WO1997027469A1 - Process and device for determining an analyte contained in a scattering matrix - Google Patents

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WO1997027469A1
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matrix
focus
detection
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PCT/DE1997/000168
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Alexander KNÜTTEL
Dirk Boecker
Matthias Essenpreis
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Boehringer Mannheim Gmbh
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for analyzing a scattering matrix with the aid of light on an analyte contained therein.
  • Biological samples are mostly optically heterogeneous, i.e. they contain a large number of scattering centers, at which incident light is scattered. This applies to human or animal tissue, in particular skin tissue or subcutaneous fat tissue, but also to liquid biological samples, such as blood, in which the blood cells form scattering centers or also to milk, in which the scattering centers are formed by emulsified fat droplets.
  • the invention is generally directed to scattering matrices in which an analyte is qualitative or quantitative should be determined.
  • a scattering matrix in this sense is a three-dimensional structure with such a high density of optical scattering centers that penetrating light is generally scattered many times before it leaves the scattering matrix again.
  • Non-biological scattering matrices that can be investigated on the basis of the present invention are, for example, emulsions and dispersions, as are required for different purposes, for example for lacquers and paints.
  • the aim of the analytical methods to which the invention is directed is to determine an analyte in the sense that information about the presence of a particular component contained in the tissue is obtained.
  • the information can relate to the concentration of the analyte (quantitative analysis) or only to the question of whether the analyte (in a concentration above the detection limit of the method) is contained in the sample (qualitative analysis).
  • a sample usually a blood sample
  • analyte concentration is determined with the aid of reagents.
  • non-invasive analysis methods are increasingly being discussed, in which the analytical result is obtained painlessly and without reagents without taking samples from the tissue.
  • Most of this Methods discussed for the purpose are based on the interaction of light with the scattering matrix. What these methods have in common is that measurement steps are carried out in which light is radiated into the matrix as primary light through an interface delimiting the matrix and light emerging from the matrix is detected as secondary light, by means of the interaction of the light with the matrix to measure variable, measurable physical properties of the light, which correlates with the concentration of the analyte in the matrix.
  • Such a method step is referred to here as a “detection step” and the measurement as a “detection measurement”, wherein a detection step can include one or more detection measurements.
  • the wavelengths of light that are discussed for such methods are generally between about 300 nm and several thousand nm, that is in the spectral range between the near UV and infrared light.
  • the (detected) physical property of the light determined in the detection step which can also be referred to as a "quantifiable parameter" (English: quantifiable parameter), is referred to below for the sake of simplicity as a "measured variable”.
  • At least one calibration step which is carried out in the same way as a detection step in terms of measurement technology, at least one detection measurement is carried out on a scattering matrix with a known analyte concentration. In the case of the analysis of living tissue, this is conveniently done by a comparative measurement with any known analysis method.
  • the analyte concentration is determined from the change in the measured variable in at least one detection step in comparison to at least one calibration step.
  • the evaluation step comprises an evaluation algorithm in which the analyte concentration is determined in a predetermined manner from the results of at least one detection step and at least one calibration step.
  • the useful signal (the change in the absorption spectrum as a function of a change in the analyte concentration) is very small for most analytes, and this small useful signal is contrasted by a large background of interference signals, in particular from the optical absorption of water and others highly absorbent components (including the red blood dye hemoglobin) result.
  • Glucose is a particularly important analyte because long-term successful therapy for diabetics requires continuous monitoring of the glucose level in the body. In order to avoid severe late damage, such as blindness or amputation of the limbs, the glucose concentration must be determined at least five times a day. This is hardly possible with invasive methods. However, the optical absorption of the tissue depends only to a very small extent on the glucose concentration. Therefore, spectroscopic principles have not led to success. Instead, various alternative methods for the non-invasive determination of the glucose concentration are discussed.
  • the glucose molecules characteristically scatter a light beam transmitted through a glucose solution and that the glucose concentration can be determined from the spatial angle distribution of the transmitted light intensity emerging from an examination cuvette or from an examined body part .
  • the spatial distribution of the secondary light intensity at the interface is determined as a measure of the glucose concentration and it is explained that this spatial distribution depends in a characteristic way on the glucose concentration in a tissue sample, because the glucose concentration due to the multiple scattering in the tissue influences the spatial distribution of the secondary light emerging from the interface to a surprisingly large extent.
  • DE 4243142 A1 describes a method for determining the glucose concentration in the anterior chamber of the eye, the optical absorption and the rotation of polarized light being described as measured variables.
  • the invention is based on the object of providing a method and a device for analyzing tissue or other optically strongly scattering matrices, which makes it possible to selectively analyze an analyte contained therein even when total optical absorption of the scattering matrix is influenced only to a very small extent by the concentration of the analyte.
  • the object is achieved in a method which comprises at least one detection step and one evaluation step in the sense explained above in that two selection methods are used in combination with one another for the selective detection of secondary light coming from a defined measuring depth of the sample:
  • the primary light is focused by means of an optically focusing element, the primary light is focused on the focus area and the focus area is imaged by means of an optically focusing element on a light entry opening arranged in the light path of the secondary light to the detector, so that the detection of the Secondary light is concentrated on the focus area.
  • an additional depth selection means is used to selectively detect reflected light as a secondary light from a defined measuring depth which corresponds to the depth of focus.
  • a low-coherence reflectometric measuring method or a "time-gating" method is used in particular as an additional depth selection means.
  • the invention also relates to a device for carrying out such a method with a measuring head with a sample contact surface for application to an interface of the scattering matrix, light irradiation means with a light transmitter for irradiating primary light into the scattering matrix through the sample contact surface and the interface, detection means with a detector for detecting secondary light emerging from the scattering matrix through the interface and the sample contact surface, and evaluation means for determining the information about the presence of the analyte in the matrix from the measurement signal of the detector, the irradiation means and the Detection means each have an optically focusing element, the optically focusing element of the irradiation means focuses the primary light on a focus area located in the matrix at a depth of focus below the interface, and the optically focusing element Detection means maps the focus area onto a light entry opening arranged in the light path of the secondary light to the detector, as a result of which the detection of the secondary light is concentrated on the focus area.
  • An additional depth selection means is provided in order
  • confocal arrangement An arrangement in which an object is illuminated with light focused on a focal point (focus) and the observation is concentrated on the same focus referred to as "confocal arrangement".
  • confocal arrangement An arrangement in which an object is illuminated with light focused on a focal point (focus) and the observation is concentrated on the same focus referred to as "confocal arrangement".
  • confocal arrangement is known for various purposes, for example from the following quotes:
  • the confocal arrangement brings about a certain depth selection.
  • the detector primarily detects photons which are reflected at a distance from the interface which corresponds to the depth of focus of the confocal arrangement.
  • an additional depth selection means by means of which light which is selectively reflected from a defined measuring depth which corresponds to the depth of focus is detected as secondary light.
  • a time-gating method is suitable for this.
  • an additional depth selection using a low-coherence reflectometric measurement method is particularly preferred.
  • the confocal arrangement means that photons which are scattered on the way from the focus to the interface in the matrix and are thereby deflected cannot reach the detector through the light entry opening arranged in the light path in front of the detector. To the signal The detector therefore mainly contributes photons which are reflected on a structure in the area of the focus in the scattering matrix and which leave the matrix from there without being scattered.
  • focus area In practice it is not possible to focus the primary light on a geometric point in the matrix and to focus the image on the same geometric point. Rather, optical aberrations and the finite size of the light source and the detector-side light entry opening inevitably lead to the partial volume of the matrix detected with the confocal arrangement having a finite size. This partial volume is referred to as the "focus area”.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an analysis device according to the invention
  • 2a and 2b graphs of the dependence of the phase refractive index on the light wavelength for two different concentrations of a glucose solution in water
  • 3 shows a bar diagram of the group refractive index of glucose and of two interfering substances, each dissolved in water for four different wavelengths of light
  • FIG. 10 shows a basic sectional illustration of an embodiment developed on the basis of FIG. 7.
  • the analytical device 1 which is highly schematic in FIG. 1, partly in section and partly as a block diagram, essentially consists of a measuring head 2 and an electronic unit 3.
  • the measuring head 2 lies with a sample contact surface 4 at the interface 5 of a scattering matrix 6 (e.g. on the surface of human skin).
  • a scattering matrix 6 e.g. on the surface of human skin.
  • light irradiation means 8 for irradiating primary light 14 into the matrix 6
  • detection means 9 for detecting secondary light 19 emerging from the matrix 6.
  • the light irradiation means 8 comprise a plurality of light transmitters 10, each of which has an optical system 8a (formed by the lenses 13 and 16 in the illustrated case) by which the primary light 14 is focused on a focus region 17 lying in the tissue at a predetermined depth d of the matrix.
  • a plurality of semiconductor light transmitters are monolithically integrated in a semiconductor substrate (chip) 11.
  • the light transmitters 10 should be as point-shaped as possible.
  • the diverging light emerging from the light exit openings 12 is collimated by an arrangement of collimation lenses 13 and enters a beam splitter cube 15 (beam splitter cube BSC) as a parallel beam. That from the opposite surface of the BSC
  • the light irradiation means consisting of the light transmitters 10 and the components 12, 13 and 16, are present multiple times (n times) and are arranged as a (preferably regular) array 18 parallel to the interface 5 of the matrix 6 in such a way that primary light beams 14 are directed onto a A plurality of focus areas 17, which are preferably at the same measurement depth d in the tissue 6, are focused.
  • FIG. 1 shows the beam path only for one of the focus areas 17.
  • the secondary light emanating from one of the focus areas 17 is collimated by the lenses 16 and falls coaxially back into the primary beam. Beam splitting takes place in the BSC 15, the secondary light being reflected perpendicular to the direction of the primary light beam 14 in the direction of a detector 20.
  • the lenses 16 and 21 overall form an optical imaging system 9a, by means of which the focus region 17 is imaged on the light entry opening 24 (more precisely on the level of the detector-side light entry opening 24).
  • the detectors 20 are present in the same number as the light transmitters 10 n-fold and are arranged as an array corresponding to the light transmitters, with each detector 20 being assigned an optical system 16, 21.
  • Semiconductor detectors (for example avalanche photodiodes) are preferably used which are monolithically integrated on a common semiconductor substrate 23.
  • the collimator lenses 13, the focusing lenses 16 and the imaging lenses 21 arranged in front of the detectors 20 are each preferably designed as a "microlens array" (16a, 21a). Such microlens arrays are commercially available.
  • the optical systems 8a and 9a which are a component of the light irradiation means 8 and the detection means 9, can be constructed in different ways in such a way that the explained lighting and imaging conditions are achieved.
  • multi-lens systems objectives
  • mirrors can also be used as focusing elements.
  • a light focus in the focus area 17 in the scattering matrix is generated by the light irradiation means 8 using an optically focusing element (here the focusing lens 16).
  • the confocal arrangement of the detection means 9 leads to (as above explained) reflected photons predominantly in the focus area 17 are detected by the detectors 20 and only a small proportion of diffusely scattered light reaches the detector 20.
  • the electronics unit 3 contains a power supply circuit 25 for the light transmitter 10, an amplifier circuit 26 for amplifying the output signals of the detectors 20 and an evaluation unit 27 which is usually realized with the aid of a microprocessor and which generates the desired analytical information from the Measurement signals of the detectors 20 are determined.
  • the power supply circuit In order to provide an additional means for depth selection (ie for the selective detection of photons which were reflected in a measuring depth which corresponds to the depth of focus d) using a "time-gating" method, the power supply circuit generates 25 extremely short signal pulses, which are converted by the light transmitters 10 into very short light pulses.
  • the amplifier circuit 26 and the evaluation unit 27 are set up to detect the secondary light detected by the detectors 20 within a defined time window, which corresponds to the desired measuring depth d.
  • the means required for this are complex, but are practically available.
  • a necessary control line for the transmission of a trigger signal is designated in FIG. 1 by 25a. Further details on different technologies suitable for such measurements can be found in the relevant literature.
  • the measuring head 2 can be moved in the direction perpendicular to the interface 5.
  • This vertical positioning can expediently be effected by means of a frame-shaped holding part 28 supported on the interface 5 of the scattering matrix 6 and a positioning drive which is symbolically represented in FIG. 1 as a double arrow 28a.
  • the combination of the metrological measures according to the invention leads to the fact that essentially only photons contribute to the measurement signal of the detectors 20, which were reflected in a defined measurement depth d and from there reach the respective detector 20 essentially without being scattered. Unscattered photons are also referred to as "ballistic" photons. However, the arrangement according to the invention also detects photons which are scattered with a small mean scattering angle and whose path (propagation path) runs in the vicinity of the geometric light path, which therefore deviate only minimally from the shortest (ballistic) path. Such photons are called “quasi ballistic". The invention The arrangement can therefore be described as a "depth-selective quasi-ballistic measuring regime".
  • the ballistic or quasi-ballistic photons cover the shortest possible distance in the sample and are therefore absorbed relatively little. For this reason, optically strongly absorbing interfering substances contained in the sample (in the case of tissue samples, above all hemoglobin and water) interfere relatively little with the measurement. This effect also has to do with the fact that, despite the strong absorption of these interfering substances, the measuring light can penetrate relatively deep into the sample and, for example, layers can be reached in the skin in which the concentration of glucose changes significantly. Furthermore, the linear path of the photons detected in the method according to the invention means that the length of the optical light path in the sample is defined. It corresponds to twice the measuring depth d.
  • the uncorrected scattering coefficient and thus the measurement signal under the measurement conditions according to the invention depend relatively strongly on the concentration of the analyte. Therefore, the analyte-specific signal change in the invention is relatively large.
  • FIGS. 2a and 2b show the course of the phase refractive index n ⁇ of a glucose solution in water at a glucose concentration of 6.25 mmol (millimoles per liter) or 100 mmol depending on the wavelength L in ⁇ m.
  • n ⁇ the phase refractive index
  • FIGS. 2a and 2b show the course of the phase refractive index n ⁇ of a glucose solution in water at a glucose concentration of 6.25 mmol (millimoles per liter) or 100 mmol depending on the wavelength L in ⁇ m.
  • the group refractive index n Q for four different light wavelengths is plotted in the form of bar diagrams for three different substances, namely the analyte glucose (GLUC) and the two important interfering substances NaCl and lactate (LAC).
  • FIG. 4 shows the differential refractive index, based on the wavelength.
  • the group refractive index differences dn G are plotted for the three substances and for the Wavelength pairs 1.6 ⁇ m minus 1.3 ⁇ m and 2.135 ⁇ m minus 1.75 ⁇ m.
  • the absolute values of the group refractive index ⁇ shown in FIG. 3. Q are highest for glucose, but also significant for the interfering substances NaCl and lactate.
  • the light scattering ie the scattering coefficient ⁇ g
  • the refractive index the size and the concentration of the scattering particles and on the refractive index of the medium in which the scattering particles are distributed. If these quantities are known, ⁇ s can be calculated using Mie theory, computer programs being available for such calculations. In the case of skin tissue as a scattering matrix, the following approximate values can be assumed:
  • Refractive index of the interstitial fluid 1.38.
  • the measuring arrangement according to the invention detects a measured variable which is more sensitive to changes in the analyte concentration than the conventionally measured optical absorption in a diffuse measuring regime according to the prior art.
  • the measurement conditions and the method of evaluation can be optimized taking into account the knowledge according to the invention, the following considerations being taken into account.
  • At least two detection measurements with different light wavelengths are preferably carried out.
  • a quotient of the measured values at the two different wavelengths is advantageously determined and the information about the presence of the analyte is determined on the basis of the quotient.
  • a disturbing background absorption can thereby be largely eliminated if the total optical absorption of the sample changes much less than the scattering coefficient.
  • the measuring depth d In the case of skin tissue, medical concerns must be taken into account when choosing the measuring depth d. In order to detect a tissue layer whose glucose concentration is medically meaningful, the measuring depth should be at least about 0.3 mm. As described, larger measuring depths lead to an exponential decrease in the intensity of the measuring signal. A measuring depth of approximately 1.5 mm is currently regarded as the maximum upper limit on skin tissue.
  • At least two measurements are preferably carried out in which the measurement depth corresponding to the depth of focus d is different, with measurements with the same light wavelengths L 1 and L 2 being carried out particularly preferably at the two different measurement depths d 1 and d 2 become.
  • This advantageously makes it possible to avoid measurement errors which are attributable to fluctuations in the intensity of the incident primary light I Q. Such fluctuations are not only to be feared as a result of intensity fluctuations in the light transmitter 10.
  • the transition of the light from the measuring head 2 through the interface 5 into the sample 6 (“coupling”) is a fundamental problem. Even small changes in the position of the measuring head can cause changes in the intensity of the radiation entering the sample 6 Cause primary light that are larger than the measurement signal.
  • measuring errors can be eliminated in the measuring arrangement according to the invention if measurements are carried out with two different measuring depths and a quotient of the intensity signals measured is formed (in each case at the same wavelength). It is particularly advantageous if one of the two measurements is carried out with the smallest possible depth of measurement and the second measurement with the greatest possible depth of measurement.
  • the small measuring depth should be below the epidermis layer. A range between 0.3 mm and 0.5 mm can be given as a guideline.
  • the maximum size of the second (greater) measuring depth is essentially determined by the intensity of the measuring signal.
  • the difference between the two measuring depths should be at least 0.3 mm.
  • the size of the light entry opening in front of the detector is also important.
  • the term "true confocal imaging" was coined in the specialist literature in order to describe ideal conditions of a confocal imaging arrangement. More details on this can be found in the article by Sheppard et al. refer to.
  • preference is given to working with a significantly larger light entry opening.
  • it should be at most five times the size required for true confocal imaging (according to the formulas given in the Sheppard et al. Article).
  • the diameter of the light entry opening in front of the detector should be less than 0.1 mm, preferably less than 0.05 mm.
  • the desired analytical information is determined with the aid of an evaluation algorithm which links the measured values of the measured variable on the basis of a calibration with concentration values.
  • this linkage can consist of a simple one-dimensional evaluation curve which in each case assigns a concentration value to the quotient from the intensity measurement values of two wavelengths or two measurement depths.
  • the invention can also be used for other analytes for which the following conditions apply: low specific optical absorption of the analyte against a large absorption background; Total absorption of the sample is largely constant in the examined wavelength range; strong wavelength-dependent change in the optical absorption (and consequently also the refractive index of the interstitial fluid) in the examined wavelength range. Alcohol may be mentioned as a possible analyte with such properties.
  • the suitability of the invention for the respective analysis can be tested by experimentally testing the arrangement according to the invention over a larger range of light wavelengths, and an optimal wavelength range can be determined.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which a low-coherence reflectometric measurement is carried out as additional depth selection means in the measuring step.
  • LCI low coherence interferometry
  • OCDR optical coherence domain reflectometry
  • the light receiver measures an interference signal if the optical light path length in the reference arm (from the beam splitter to the reflecting element) is a maximum of the coherence length of the light source from the optical path length of the measuring light path from the beam splitter to the point of reflection in the sample. An interference signal is only measured if this condition is met. This can be used to limit the examination of a sample to a certain measuring depth d.
  • an additional light path is provided which is formed by light reflected to the left in the BSC 15 and which forms the reference arm 30 of an interferometer arrangement.
  • the reference light is reflected on a movable mirror 31 and falls back into the BSC 15 in the opposite direction, it reaching the light inlet opening (pinhole 22) via the secondary light path 19.
  • the interference condition is met if the optical light path in the reference arm 30 (up to the surface of the mirror 31) and in the sample arm 32 (up to the measuring depth d) match.
  • the setting of the mirror 31 can thus improve the selective detection of the light reflected from the measuring depth d. Further details on the metrological implementation of the LCI method can be found in the aforementioned literature references.
  • both the light irradiation means 8 and the detection means 9 each have optical fibers 33 and 34, respectively, by means of which the Light is guided from light transmitters, not shown, to the BSC or from there to detectors, also not shown. It is not of fundamental importance for the invention whether the primary light (as in FIG. 1) is radiated directly into the measuring arrangement by the light transmitters 10 or is detected directly by detectors 20 or whether light guides (as in FIG. 5) are used become. It is only essential that the effective light exit opening 12, from which the primary light enters the optical system and the effective light entry opening 24 in the secondary light path 19, have sufficiently small dimensions to ensure a sufficiently sharp focusing both in the primary light beam path and in the To enable secondary light beam path.
  • the delimitation of the primary-side light exit opening and the secondary-side light entry opening can be realized in different ways, for example, as shown by pinholes, but also by the correspondingly dimensioned exit end of an optical fiber or by the size of the light-sensitive surface of a detector.
  • a problem with the arrangement with a BSC shown in FIGS. 1 and 4 is Fresnel reflections, which are caused by the refractive index jump at the interfaces of the BSC. As a result, light is reflected, for example, from the interface 29 of the BSC through which the measuring light exits into the sample (FIG. 5). This strong reflection signal can easily lead to an overload of the detector.
  • an arrangement is selected in which the axis AP of the primary light beam 14 is inclined at an angle ⁇ , which is less than 90 °, to the corresponding boundary surface 29. Thereby The light beam 35 specularly reflected by Fresnel reflection does not strike the detector 20.
  • the deviation of the angle ⁇ is shown in a greatly exaggerated manner in FIG. In practice, a very small deviation of less than 1 ° is sufficient for the specularly reflected light no longer to strike the light entry opening 24 on the light detector side.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the optically focusing elements of the irradiation means 8 and the detection means 9 are different, the optical axis on which the light is irradiated into the sample and the optical axis on which the light is detected to differ.
  • the primary light irradiated by an optical fiber 32 penetrates a first lens 40 and a second lens 41 for each focus area 17 of an array, which has a diameter twice as large as the first lens.
  • the focused light enters the matrix 6 asymmetrically. After backscattering, the secondary light passes through the second lens 41 and a third lens 42 in the reverse order.
  • the system of lenses 40, 41, 42 in this embodiment also ensures that the primary light 14 focuses on the focus area 17 and this focus area 17 the light inlet opening 24 on the detector side is imaged.
  • the use of a total of three lenses with the arrangement shown has the advantage that commercially available microlens Arrays can be used, whereas in the case of a (basically also possible) oblique (ie not parallel to the surface 5 of the matrix 6) arrangement of the lenses, a special manufacture of the microlens arrangement is required.
  • FIGS. 8 and 9 show two possibilities, in the case of an arrangement with the basic structure of FIG. 7, to enable measurement with a plurality of light wavelengths.
  • three laser diodes are used as primary light transmitters 10a, 10b, 10c, which emit light with different wavelengths and are expediently applied to a common substrate as integrated optics. These three light transmitters emit at different angles of incidence onto a half lens 45a, which collimates the light at different angles. Below the half lens 45a there is an optical grating 46, the grating constant of which is adapted so that the collimated beams of different light wavelengths incident at different angles are transformed into a common (collimated) beam along the optical axis. This is focused by a second half lens 45b onto a light exit opening 12.
  • the two half lenses 45a, 45b, 47a, 47b form a sandwich with the grating 46, which can be constructed in a structurally simple manner with the aid of microlens structures.
  • the three laser diodes are replaced by a single broadband laser diode 10.
  • the wavelength selectivity is ensured here by the grating and the three detectors 20a, 20b, 20c arranged at different angles behind the grating. This arrangement is technically simpler with a lower wavelength selectivity than that of FIG. 8.
  • FIG. 10 shows the manner in which a low-coherence reflectometric measurement is possible as an additional depth selection means in an embodiment according to FIGS. 7 to 9.
  • a horizontally running semitransparent mirror 48 is used here as a beam splitter to generate a reference beam.
  • the reflected light beam 50a falls on a reference reflector 51, the distance of which from the semitransparent mirror 48 corresponds to the distance of the focus area 17 from the semitransparent mirror 48.
  • the light striking the reference mirror 51 is focused, as is the light radiated into the sample 6.
  • the light reflected by the reference reflector 51 falls back as a light beam 50b onto the semitransparent mirror 48 and is reflected from there in the direction of the reflector.
  • the rays 50a and 50b form the reference arm 50 of the interferometer arrangement in this arrangement.
  • a modulation of the reference light can be brought about by a vibrating reference reflector 51.
  • an LCD element can be arranged in the light beam in such a way and controlled with a suitable modulation frequency that the reference light is modulated.

Abstract

A process is disclosed for determining an analyte in a scattering, in particular biological, matrix. In a detection step, detection measurements are made: light (primary light) is directed into the matrix (6) and light (as secondary light) emerging from the scattering matrix is detected to determine as a measured quantity a measurable physical characteristic of the light which can be altered by the interaction between light and matrix (6). In an evaluation step, data is obtained on the presence of the analyte in the matrix (6). The determination of optically weakly absorbing analytes against a strongly absorbing interfering background is improved by the use in combination of two selection processes for detecting the secondary light. In the first, the primary light (14) is focused by an optically focusing element (16) onto a focal region (17) located inside the matrix (6) at a specified measurement depth (d); the focal region (17) is focused by an optically focusing element (16, 21) onto a light inlet aperture (24) situated in the path of the secondary light (19) to the detector. In the second selection process, another depth-selection means, preferably a low-coherence measurement process, is used to detect light (secondary light) reflected from a defined measurement depth, the measurement depth corresponding to the focal depth.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Analyten in einer streuenden Matrix Method and device for determining an analyte in a scattering matrix
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse einer streuenden Matrix mit Hilfe von Licht auf einen darin enthaltenen Analyten.The invention relates to a method and a device for analyzing a scattering matrix with the aid of light on an analyte contained therein.
Der wichtigste Anwendungsfall der Erfindung ist die ana¬ lytische Untersuchung biologischer Proben, insbesondere des Gewebes eines lebenden Organismus . Biologische Proben sind meistens optisch heterogen, d.h. sie enthalten eine Vielzahl von Streuzentren, an denen eingestrahltes Licht gestreut wird. Dies gilt für menschliches oder tierisches Gewebe, insbesondere Hautgewebe oder subkutanes Fettge¬ webe, aber auch für flüssige biologische Proben, wie bei¬ spielsweise Blut, in dem die Blutkörperchen Streuzentren bilden oder auch für Milch, bei dem die Streuzentren von emulgierten Fetttröpfchen gebildet werden.The most important application of the invention is the analytical examination of biological samples, in particular the tissue of a living organism. Biological samples are mostly optically heterogeneous, i.e. they contain a large number of scattering centers, at which incident light is scattered. This applies to human or animal tissue, in particular skin tissue or subcutaneous fat tissue, but also to liquid biological samples, such as blood, in which the blood cells form scattering centers or also to milk, in which the scattering centers are formed by emulsified fat droplets.
Daneben richtet sich die Erfindung generell auf streuende Matrices, in denen ein Analyt qualitativ oder quantitativ bestimmt werden soll. Eine streuende Matrix in diesem Sinne ist ein dreidimensionales Gebilde mit einer so ho¬ hen Dichte an optischen Streuzentren, daß eindringendes Licht in der Regel vielfach gestreut wird, bevor es die streuende Matrix wieder verläßt. Nichtbiologische streu¬ ende Matrices, die auf Basis der vorliegenden Erfindung untersucht werden können, sind beispielsweise Emulsionen und Dispersionen, wie sie für unterschiedliche Anwen¬ dungszwecke, beispielsweise für Lacke und Farben benötigt werden.In addition, the invention is generally directed to scattering matrices in which an analyte is qualitative or quantitative should be determined. A scattering matrix in this sense is a three-dimensional structure with such a high density of optical scattering centers that penetrating light is generally scattered many times before it leaves the scattering matrix again. Non-biological scattering matrices that can be investigated on the basis of the present invention are, for example, emulsions and dispersions, as are required for different purposes, for example for lacquers and paints.
Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf die Analyse von Gewebe als Beispiel für biologische und andere streuende Matrices Bezug genommen.In the following, reference is made to the analysis of tissue as an example of biological and other scattering matrices without restriction of generality.
Ziel der Analyseverfahren, auf die sich die Erfindung richtet, ist die Bestimmung eines Analyten in dem Sinn, daß eine Information über die Gegenwart einer bestimmten in dem Gewebe enthaltenen Komponente gewonnen wird. Die Information kann sich auf die Konzentration des Analyten beziehen (quantitative Analyse) oder auch nur auf die Frage, ob der Analyt (in einer über der Nachweisgrenze des Verfahrens liegenden Konzentration) in der Probe ent¬ halten ist (qualitative Analyse) .The aim of the analytical methods to which the invention is directed is to determine an analyte in the sense that information about the presence of a particular component contained in the tissue is obtained. The information can relate to the concentration of the analyte (quantitative analysis) or only to the question of whether the analyte (in a concentration above the detection limit of the method) is contained in the sample (qualitative analysis).
Analysen von Geweben und anderen biologischen Proben wer¬ den bisher überwiegend invasiv durchgeführt, d.h. es wird eine Probe (meist eine Blutprobe) aus dem Gewebe entnom¬ men, in der die Analytkonzentration mit Hilfe von Reagen¬ zien bestimmt wird.Up to now, analyzes of tissues and other biological samples have mainly been carried out invasively, i.e. a sample (usually a blood sample) is taken from the tissue, in which the analyte concentration is determined with the aid of reagents.
In neuerer Zeit werden in zunehmendem Maße nicht-invasive Analyseverfahren diskutiert, bei denen das analytische Ergebnis ohne Probenentnahme aus dem Gewebe schmerzfrei und reagenzienfrei gewonnen wird. Die meisten zu diesem Zweck diskutierten Verfahren basieren auf der Wechselwir¬ kung von Licht mit der streuenden Matrix. Gemeinsam ist diesen Verfahren, daß Meßschritte durchgeführt werden, bei denen Licht durch eine die Matrix begrenzende Grenz¬ fläche als Primärlicht in die Matrix eingestrahlt und aus der Matrix austretendes Licht als Sekundärlicht detek¬ tiert wird, um eine durch die Wechselwirkung des Lichts mit der Matrix veränderliche meßbare physikalische Eigen¬ schaft des Lichtes zu messen, die mit der Konzentration des Analyten in der Matrix korreliert. Ein solcher Ver¬ fahrensschritt wird hier als "Detektionsschritt" und die Messung als "Detektionsmessung" bezeichnet, wobei ein De¬ tektionsschritt eine oder mehrere Detektionsmessungen um¬ fassen kann.More recently, non-invasive analysis methods are increasingly being discussed, in which the analytical result is obtained painlessly and without reagents without taking samples from the tissue. Most of this Methods discussed for the purpose are based on the interaction of light with the scattering matrix. What these methods have in common is that measurement steps are carried out in which light is radiated into the matrix as primary light through an interface delimiting the matrix and light emerging from the matrix is detected as secondary light, by means of the interaction of the light with the matrix to measure variable, measurable physical properties of the light, which correlates with the concentration of the analyte in the matrix. Such a method step is referred to here as a "detection step" and the measurement as a "detection measurement", wherein a detection step can include one or more detection measurements.
Die Wellenlängen des Lichts, die für solche Verfahren diskutiert werden, liegen im allgemeinen zwischen etwa 300 nm und mehreren tausend nm, also im Spektralbereich zwischen dem nahen UV- und Infrarotlicht. Die in dem De¬ tektionsschritt bestimmte (detektierte) physikalische Ei¬ genschaft des Lichtes, die man auch als "quantifizier¬ barer Parameter" (englisch: quantifiable parameter) be¬ zeichnen kann, wird nachfolgend einfachheitshalber als "Meßgröße" bezeichnet.The wavelengths of light that are discussed for such methods are generally between about 300 nm and several thousand nm, that is in the spectral range between the near UV and infrared light. The (detected) physical property of the light determined in the detection step, which can also be referred to as a "quantifiable parameter" (English: quantifiable parameter), is referred to below for the sake of simplicity as a "measured variable".
Da bei den hier diskutierten Verfahren in aller Regel keine Absolutmessung der Analytkonzentration möglich ist, ist (ebenso wie bei den meisten auf chemischen Reaktionen basierenden Analyseverfahren) eine Kalibration erforder¬ lich. Üblicherweise wird in mindestens einem Kalibrati- onsschritt, der meßtechnisch in gleicher Weise wie ein Detektionsschritt ausgeführt wird, mindestens eine Detek¬ tionsmessung an einer streuenden Matrix mit bekannter Analytkonzentration durchgeführt. Im Falle der Analyse lebenden Gewebes geschieht dies zweckmäßigerweise durch eine Vergleichsmessung mit irgendeinem vorbekannten Ana¬ lyseverfahren.Since it is generally not possible to measure the analyte concentration in absolute terms in the methods discussed here, a calibration is required (as is the case with most analysis methods based on chemical reactions). Usually, in at least one calibration step, which is carried out in the same way as a detection step in terms of measurement technology, at least one detection measurement is carried out on a scattering matrix with a known analyte concentration. In the case of the analysis of living tissue, this is conveniently done by a comparative measurement with any known analysis method.
In einem Auswerteschritt des Analyseverfahrens wird die Analytkonzentration aus der Änderung der Meßgröße bei mindestens einem Detektionsschritt im Vergleich zu minde¬ stens einem Kalibrationsschritt bestimmt. Der Auswerte¬ schritt umfaßt einen Auswertealgorithmus, in dem die Ana¬ lytkonzentration in vorbestimmter Weise aus den Ergebnis¬ sen von mindestens einem Detektionsschritt und mindestens einem Kalibrationsschritt ermittelt wird.In an evaluation step of the analysis method, the analyte concentration is determined from the change in the measured variable in at least one detection step in comparison to at least one calibration step. The evaluation step comprises an evaluation algorithm in which the analyte concentration is determined in a predetermined manner from the results of at least one detection step and at least one calibration step.
Die meisten Verfahren dieser Art basieren auf den Prinzi¬ pien der Spektroskopie, d.h. auf der Untersuchung der spektralen Abhängigkeit der optischen Absorption. Zu die¬ sem Zweck werden Detektionsmessungen bei mindestens zwei unterschiedlichen Lichtwellenlängen durchgeführt. Während dies in einer klaren Flüssigkeit ein seit langem eta¬ bliertes problemloses Verfahren ist, bestehen bei der spektroskopischen Analyse an Gewebe und anderen streuen¬ den Matrices schwerwiegende Probleme.Most methods of this type are based on the principles of spectroscopy, i.e. on the investigation of the spectral dependence of the optical absorption. For this purpose, detection measurements are carried out at at least two different light wavelengths. While this is a long-established problem-free method in a clear liquid, there are serious problems in the spectroscopic analysis of tissue and other scattering matrices.
Zum einen ist für die meisten Analyten das Nutzsignal (die Änderung des Absorptions-Spektrums in Abhängigkeit von einer Änderung der Analytkonzentration) sehr klein und diesem kleinen Nutzsignal steht ein großer Hinter¬ grund von Störsignalen gegenüber, die insbesondere von der optischen Absorption von Wasser und anderen stark ab¬ sorbierenden Komponenten (unter anderem dem roten Blut¬ farbstoff Hämoglobin) resultieren.On the one hand, the useful signal (the change in the absorption spectrum as a function of a change in the analyte concentration) is very small for most analytes, and this small useful signal is contrasted by a large background of interference signals, in particular from the optical absorption of water and others highly absorbent components (including the red blood dye hemoglobin) result.
Zum zweiten besteht in einer streuenden Matrix aufgrund der Vielfachstreuung des Lichts das Problem, daß die von dem Licht in der Probe zurückgelegte optische Weglänge unbekannt ist. Die Kenntnis dieser Weglänge ist jedoch Voraussetzung, um bei einer spektroskopischen Analyse ge¬ mäß dem Gesetz von Lambert-Beer die Konzentration eines Analyten bestimmen zu können.Secondly, in a scattering matrix, due to the multiple scattering of the light, there is the problem that the optical path length covered by the light in the sample is unknown. However, knowledge of this path length is Prerequisite for being able to determine the concentration of an analyte in a spectroscopic analysis according to the Lambert-Beer law.
Zur Lösung dieser Probleme wurden zahlreiche unterschied¬ liche Versuche unternommen. Insbesondere werden Ver¬ gleichstechniken angewendet, bei denen der Versuch ge¬ macht wird, die Einflüsse von stark absorbierenden stö¬ renden Substanzen und auch den Einfluß der Vielfachstreu¬ ung und der daraus resultierenden fehlenden Kenntnis der optischen Weglänge durch mehrere Detektionsmessungen und Verhältnis- oder Differenzbildung zu eliminieren. Spezi¬ ell mit dem Problem der unbekannten optischen Weglänge befaßt sich die zeitaufgelöste Spektroskopie.Numerous different attempts have been made to solve these problems. In particular, comparison techniques are used in which the attempt is made, the influences of highly absorbing interfering substances and also the influence of multiple scattering and the resulting lack of knowledge of the optical path length by means of several detection measurements and ratio or difference formation to eliminate. Time-resolved spectroscopy deals specifically with the problem of the unknown optical path length.
Trotz dieser Bemühungen hat die spektroskopische Analyse von Gewebe nur für einen Analyten, nämlich den roten Blutfarbstoffes Hämoglobin (Hb bzw. dessen oxidierte Form Hb02) praktische Bedeutung erlangt. Diese Substanzen ab¬ sorbieren so stark und sind in so hoher Konzentration vorhanden, daß eine spektroskopische Bestimmung mit den bekannten Verfahren möglich ist. Gerade diese starke op¬ tische Absorption ist jedoch ein wesentlicher Grund, warum die spektroskopische Analyse anderer Analyten bis¬ her erfolglos war.Despite these efforts, the spectroscopic analysis of tissue has only gained practical importance for one analyte, namely the red blood pigment hemoglobin (Hb or its oxidized form Hb0 2 ). These substances absorb so strongly and are present in such a high concentration that spectroscopic determination is possible using the known methods. However, it is precisely this strong optical absorption that is a major reason why the spectroscopic analysis of other analytes has so far been unsuccessful.
Ein besonders wichtiger Analyt ist die Glucose, weil eine langfristig erfolgreiche Therapie von Diabetikern eine möglichst kontinuierliche Überwachung des Glucosespiegels im Körper voraussetzt. Um schwere Spätschäden, wie bei¬ spielsweise Erblindung oder Amputation von Gliedmaßen zu vermeiden, muß die Glucosekonzentration mindestens fünf¬ mal täglich bestimmt werden. Dies ist mit invasiven Ver¬ fahren kaum möglich. Die optische Absorption des Gewebes hängt jedoch nur in einem sehr geringen Ausmaß von der Glucosekonzentration ab. Deswegen haben spektroskopische Prinzipien nicht zum Erfolg geführt. Statt dessen werden verschiedene alterna¬ tive Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung der Gluco¬ sekonzentration diskutiert.Glucose is a particularly important analyte because long-term successful therapy for diabetics requires continuous monitoring of the glucose level in the body. In order to avoid severe late damage, such as blindness or amputation of the limbs, the glucose concentration must be determined at least five times a day. This is hardly possible with invasive methods. However, the optical absorption of the tissue depends only to a very small extent on the glucose concentration. Therefore, spectroscopic principles have not led to success. Instead, various alternative methods for the non-invasive determination of the glucose concentration are discussed.
Beispielsweise wird in der europäischen Patentschrift 0074428 davon ausgegangen, daß die Glucosemoleküle einen durch eine Glucoselösung transmittierten Lichtstrahl in charakteristischer Weise streuen und sich aus der Raum¬ winkelverteilung der aus einer Untersuchungsküvette oder aus einem untersuchten Körperteil austretenden transmit¬ tierten Lichtintensität die Glucosekonzentration ermit¬ teln läßt. In der WO 94/10901 wird die räumliche Vertei¬ lung der Sekundärlichtintensität an der Grenzfläche als Maß für die Glucosekonzentration bestimmt und es wird er¬ läutert, daß diese räumliche Verteilung in charakteristi¬ scher Weise von der Glucosekonzentration in einer Gewebe- probe abhängt, weil die Glucosekonzentration aufgrund der Vielfachstreuung in dem Gewebe die räumliche Verteilung des aus der Grenzfläche austretenden Sekundärlichts in überraschend starkem Ausmaß beeinflußt. In der DE 4243142 AI wird ein Verfahren zur Bestimmung der Glu¬ cosekonzentration in der Vorderkammer des Auges beschrie¬ ben, wobei als Meßgrößen die optische Absorption und die Rotation von polarisiert eingestrahltem Licht beschrieben werden. In der WO 95/30368 werden verschiedene Möglich¬ keiten beschrieben, die Glucosekonzentration auf Basis von LCI (Low Coherence Interferometry) -Messungen zu be¬ stimmen, wobei als Meßgrößen unter anderem der Streukoef¬ fizient und der Brechungsindex, die beide von der Gluco¬ sekonzentration abhängen, diskutiert werden. Die in diesen Publikationen beschriebenen Verfahren bil¬ den zwar bedeutsame Ansätze zur Lösung der mit der nicht- invasiven Analytik in Gewebeproben verbundenen Probleme. Sie sind jedoch auf einen bestimmten Analyten, nämlich die Glucose, beschränkt. Außerdem ist die Selektivität prinzipbedingt relativ gering.For example, in European patent specification 0074428 it is assumed that the glucose molecules characteristically scatter a light beam transmitted through a glucose solution and that the glucose concentration can be determined from the spatial angle distribution of the transmitted light intensity emerging from an examination cuvette or from an examined body part . In WO 94/10901 the spatial distribution of the secondary light intensity at the interface is determined as a measure of the glucose concentration and it is explained that this spatial distribution depends in a characteristic way on the glucose concentration in a tissue sample, because the glucose concentration due to the multiple scattering in the tissue influences the spatial distribution of the secondary light emerging from the interface to a surprisingly large extent. DE 4243142 A1 describes a method for determining the glucose concentration in the anterior chamber of the eye, the optical absorption and the rotation of polarized light being described as measured variables. Various possibilities are described in WO 95/30368 for determining the glucose concentration on the basis of LCI (Low Coherence Interferometry) measurements, the measured variables including the scattering coefficient and the refractive index, both of which are glucose depend on the concentration, are discussed. The methods described in these publications form important approaches for solving the problems associated with non-invasive analysis in tissue samples. However, they are limited to a specific analyte, namely glucose. In addition, the selectivity is relatively low due to the principle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Gewebe oder anderen optisch stark streuenden Matrices zur Verfügung zu stel¬ len, welches es erlaubt, einen darin enthaltenen Analyten selbst dann selektiv zu analysieren, wenn die totale op¬ tische Absorption der streuenden Matrix nur zu einem sehr geringen Anteil von der Konzentration des Analyten beein¬ flußt wird.The invention is based on the object of providing a method and a device for analyzing tissue or other optically strongly scattering matrices, which makes it possible to selectively analyze an analyte contained therein even when total optical absorption of the scattering matrix is influenced only to a very small extent by the concentration of the analyte.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren, welches mindestens einen Detektionsschritt und einen Auswerteschritt im vor¬ stehend erläuterten Sinn umfaßt, dadurch gelöst, daß zur selektiven Erfassung von aus einer definierten Meßtiefe der Probe kommendem Sekundärlicht zwei Selektionsverfah¬ ren in Kombination miteinander angewandt werden:The object is achieved in a method which comprises at least one detection step and one evaluation step in the sense explained above in that two selection methods are used in combination with one another for the selective detection of secondary light coming from a defined measuring depth of the sample:
Zum einen wird das Primärlicht mittels eines optisch fokussierenden Elementes das Primärlicht auf den Fo¬ kusbereich fokussiert und der Fokusbereich mittels ei¬ nes optisch fokussierenden Elementes auf eine im Lichtweg des Sekundärlichtes zu dem Detektor angeord¬ nete Lichteintrittsöffnung abgebildet, so daß die De¬ tektion des Sekundärlichtes auf den Fokusbereich kon¬ zentriert wird.On the one hand, the primary light is focused by means of an optically focusing element, the primary light is focused on the focus area and the focus area is imaged by means of an optically focusing element on a light entry opening arranged in the light path of the secondary light to the detector, so that the detection of the Secondary light is concentrated on the focus area.
Zum zweiten wird ein zusätzliches Tiefenselektionsmit¬ tel eingesetzt, um selektiv aus einer definierten Me߬ tiefe, welche mit der Fokustiefe übereinstimmt, re¬ flektiertes Licht als Sekundärlicht zu detektieren. Als zusätzliches Tiefenselektionsmittel wird insbeson¬ dere eine Niederkohärenz-reflektometrisches Meßverfah¬ ren oder ein "time-gating"-Verfahren eingesetzt.Secondly, an additional depth selection means is used to selectively detect reflected light as a secondary light from a defined measuring depth which corresponds to the depth of focus. A low-coherence reflectometric measuring method or a "time-gating" method is used in particular as an additional depth selection means.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einem Meßkopf mit einer Probenkontaktfläche zum Anlegen an eine Grenz¬ fläche der streuenden Matrix, Lichteinstrahlungsmitteln mit einem Lichtsender zum Einstrahlen von Primärlicht in die streuende Matrix durch die Probenkontaktfläche und die Grenzfläche, Detektionsmitteln mit einem Detektor zum Detektieren von durch die Grenzfläche und die Probenkon¬ taktfläche aus der streuenden Matrix austretendem Sekun¬ därlicht und Auswertemitteln zur Ermittlung der Informa¬ tion über die Gegenwart des Analyten in der Matrix aus dem Meßsignal des Detektors, wobei die Einstrahlungsmit¬ tel und die Detektionsmittel jeweils ein optisch fokus- sierendes Element aufweisen, das optisch fokussierende Element der Einstrahlungsmittel das Primärlicht auf einen in der Matrix in einer Fokustiefe unter der Grenzfläche liegenden Fokusbereich fokussiert und das optisch fokus¬ sierende Element der Detektionsmittel den Fokusbereich auf eine in dem Lichtweg des Sekundärlichtes zu dem De¬ tektor angeordnete Lichteintrittsöffnung abbildet, wo¬ durch die Detektion des Sekundärlichtes auf den Fokusbe¬ reich konzentriert wird. Dabei ist ein zusätzliches Tie¬ fenselektionsmittel vorgesehen, um selektiv aus einer de¬ finierten Meßtiefe reflektiertes Licht als Sekundärlicht zu detektieren, wobei die Meßtiefe mit der Fokustiefe übereinstimmt.The invention also relates to a device for carrying out such a method with a measuring head with a sample contact surface for application to an interface of the scattering matrix, light irradiation means with a light transmitter for irradiating primary light into the scattering matrix through the sample contact surface and the interface, detection means with a detector for detecting secondary light emerging from the scattering matrix through the interface and the sample contact surface, and evaluation means for determining the information about the presence of the analyte in the matrix from the measurement signal of the detector, the irradiation means and the Detection means each have an optically focusing element, the optically focusing element of the irradiation means focuses the primary light on a focus area located in the matrix at a depth of focus below the interface, and the optically focusing element Detection means maps the focus area onto a light entry opening arranged in the light path of the secondary light to the detector, as a result of which the detection of the secondary light is concentrated on the focus area. An additional depth selection means is provided in order to selectively detect light reflected from a defined measurement depth as secondary light, the measurement depth corresponding to the focus depth.
Eine Anordnung, bei der ein Objekt mit auf einen Brenn¬ punkt (Fokus) fokussiertem Licht beleuchtet und die Beob¬ achtung auf den gleichen Fokus konzentriert wird, wird als "confokale Anordnung" (confocal arrangement) bezeich¬ net . Eine solche confokale Anordnung ist für verschiedene Anwendungszwecke, beispielsweise aus den nachfolgenden Zitaten, bekannt:An arrangement in which an object is illuminated with light focused on a focal point (focus) and the observation is concentrated on the same focus referred to as "confocal arrangement". Such a confocal arrangement is known for various purposes, for example from the following quotes:
1) C.J.R. SHEPPARD et al. : "Imaging Performance of confo¬ cal fluorescence microscopes with finite-sized source", Journal of Modern Optics, 4_1 (1994), pp. 1521-1530.1) C.J.R. SHEPPARD et al. : "Imaging Performance of confocal fluorescence microscopes with finite-sized source", Journal of Modern Optics, 4_1 (1994), pp. 1521-1530.
2) US-Patent 5,192,9802) U.S. Patent 5,192,980
3) US-Patent 5,345,3063) U.S. Patent 5,345,306
4) EP 06890454) EP 0689045
Da das Licht bei der confokalen Anordnung auf den Fokus- bereich in einer bestimmten Fokustiefe konzentriert wird und auch die Detektion sich auf den gleichen Fokusbereich konzentriert, bewirkt die confokale Anordnung eine ge¬ wisse Tiefenselektion. Der Detektor erfaßt vor allem Pho¬ tonen, die in einem Abstand von der Grenzfläche reflek¬ tiert werden, der der Fokustiefe der confokalen Anordnung entspricht. Um die vorteilhaften Ergebnisse der vorlie¬ genden Erfindung zu erreichen, ist es jedoch notwendig, ein zusätzliches Tiefenselektionsmittel einzusetzen, durch das selektiv aus einer mit der Fokustiefe überein¬ stimmenden definierten Meßtiefe reflektiertes Licht als Sekundärlicht detektiert wird. Wie erwähnt, ist hierzu ein time-gating-Verfahren geeignet. Besonders bevorzugt ist jedoch eine zusätzliche Tiefenselektion mit Hilfe ei¬ nes Niederkohärenz-reflektometrisehen Meßverfahrens.Since the light in the confocal arrangement is concentrated on the focus area at a certain depth of focus and also the detection concentrates on the same focus area, the confocal arrangement brings about a certain depth selection. The detector primarily detects photons which are reflected at a distance from the interface which corresponds to the depth of focus of the confocal arrangement. In order to achieve the advantageous results of the present invention, however, it is necessary to use an additional depth selection means, by means of which light which is selectively reflected from a defined measuring depth which corresponds to the depth of focus is detected as secondary light. As mentioned, a time-gating method is suitable for this. However, an additional depth selection using a low-coherence reflectometric measurement method is particularly preferred.
Die confokale Anordnung führt dazu, daß Photonen, die auf dem Weg von dem Fokus zu der Grenzfläche in der Matrix gestreut und dadurch abgelenkt werden, nicht durch die in dem Lichtweg vor dem Detektor angeordnete Lichteintritts¬ öffnung zu dem Detektor gelangen können. Zu dem Signal des Detektors tragen deshalb überwiegend Photonen bei, die an einer Struktur in dem Bereich des Fokus in der streuenden Matrix reflektiert werden und die von dort un- gestreut die Matrix verlassen.The confocal arrangement means that photons which are scattered on the way from the focus to the interface in the matrix and are thereby deflected cannot reach the detector through the light entry opening arranged in the light path in front of the detector. To the signal The detector therefore mainly contributes photons which are reflected on a structure in the area of the focus in the scattering matrix and which leave the matrix from there without being scattered.
In der Praxis ist es nicht möglich das Primärlicht auf einen geometrischen Punkt in der Matrix zu fokussieren und die Abbildung auf den gleichen geometrischen Punkt zu konzentrieren. Optische Abbildungsfehler und die endliche Größe der Lichtquelle sowie der detektorseitigen Lichteintrittsöffnung führen vielmehr unvermeidlich dazu, daß das mit der confokalen Anordnung erfaßte Teilvolumen der Matrix eine endliche Größe hat. Dieses Teilvolumen wird als "Fokusbereich" bezeichnet.In practice it is not possible to focus the primary light on a geometric point in the matrix and to focus the image on the same geometric point. Rather, optical aberrations and the finite size of the light source and the detector-side light entry opening inevitably lead to the partial volume of the matrix detected with the confocal arrangement having a finite size. This partial volume is referred to as the "focus area".
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung führen Änderungen der Konzen¬ tration eines Analyten, der einen sehr geringen Anteil an der optischen Gesamtabsorption hat, zu verhältnismäßig starken Änderungen des Meßsignals. Dadurch ist eine se¬ lektive Analyse auch solcher problematischer Analyten möglich. Dies gilt insbesondere in einem Wellenlängenbe¬ reich, in dem der Analyt eine Absorptionsbande hat.When using the method according to the invention and the corresponding device, changes in the concentration of an analyte, which has a very small share in the total optical absorption, lead to relatively large changes in the measurement signal. This enables selective analysis of such problematic analytes as well. This applies in particular in a wavelength range in which the analyte has an absorption band.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:
Fig. 1 Eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Analysevorrichtung,1 shows a schematic diagram of an analysis device according to the invention,
Fig. 2a und 2b Schaubilder der Abhängigkeit des Phasen- Brechungsindex von der Lichtwellenlänge für zwei unterschiedliche Konzentrationen einer Glucoselösung in Wasser, Fig. 3 ein Balkendiagramm des Gruppen-Brechungsindex von Glucose und von zwei Störsubstanzen jeweils gelöst in Wasser für vier unterschiedliche Wel¬ lenlängen des Lichts,2a and 2b graphs of the dependence of the phase refractive index on the light wavelength for two different concentrations of a glucose solution in water, 3 shows a bar diagram of the group refractive index of glucose and of two interfering substances, each dissolved in water for four different wavelengths of light,
Fig. 4 den differentiellen Gruppen-Brechungsindex für die Substanzen von Figur 3 und je zwei Wellen¬ längen-Paare,4 shows the differential group refractive index for the substances from FIG. 3 and two wavelength pairs each,
Fig. 5 einen Teil einer alternativen Ausführungsform einer Analysevorrichtung in einer Prinzip- Schnittdarstellung,5 shows a part of an alternative embodiment of an analysis device in a basic sectional view,
Fig. 6 eine Prinzip-Schnittdarstellung von einer wei¬ teren Ausführungsform,6 shows a basic sectional illustration of a further embodiment,
Fig. 7 eine Prinzip-Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform,7 shows a basic sectional illustration of a further embodiment,
Fig. 8 und 9 zwei Prinzip-Schnittdarstellungen unter¬ schiedlicher Ausfuhrungsformen zur Realisierung einer spektral aufgelösten Messung bei mehreren Lichtwellenlängen,8 and 9 show two principle sectional representations of different embodiments for realizing a spectrally resolved measurement at several light wavelengths,
Fig. 10 eine Prinzip-Schnittdarstellung einer auf Basis von Fig. 7 weitergebildeten Ausführungsform.10 shows a basic sectional illustration of an embodiment developed on the basis of FIG. 7.
Die in Figur 1 stark schematisiert, teilweise im Schnitt und teilweise als Blockdiagramm, dargestellte Analysevor¬ richtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Meßkopf 2 und einer Elektronikeinheit 3. Der Meßkopf 2 liegt mit einer Probenkontaktfläche 4 an der Grenzfläche 5 einer streuenden Matrix 6 (z.B. an der Oberfläche menschlicher Haut) an. In dem Meßkopf 2 befinden sich Lichteinstrah¬ lungsmittel 8 zum Einstrahlen von Primärlicht 14 in die Matrix 6 und Detektionsmittel 9 zum Detektieren von aus der Matrix 6 austretendem Sekundärlicht 19.The analytical device 1, which is highly schematic in FIG. 1, partly in section and partly as a block diagram, essentially consists of a measuring head 2 and an electronic unit 3. The measuring head 2 lies with a sample contact surface 4 at the interface 5 of a scattering matrix 6 (e.g. on the surface of human skin). In the measuring head 2 there are light irradiation means 8 for irradiating primary light 14 into the matrix 6 and detection means 9 for detecting secondary light 19 emerging from the matrix 6.
Die Lichteinstrahlungsmittel 8 umfassen mehrere Lichtsen¬ der 10, denen jeweils ein (im dargestellten Fall durch die Linsen 13 und 16 gebildetes) optisches System 8a zugeordnet ist, durch das das Primärlicht 14 auf einen in dem Gewebe in einer vorbestimmten Tiefe d der Matrix lie¬ genden Fokusbereich 17 fokussiert wird. In der darge¬ stellten Ausführungsform sind mehrere Halbleiterlichtsen¬ der (Leuchtdioden) in einem Halbleitersubstrat (Chip) 11 monolitisch integriert. Um eine gute Fokussierung zu er¬ möglichen, sollten die Lichtsender 10 möglichst punktför¬ mig sein. Zur Begrenzung der Lichtaustrittsöffnungen 12 befinden sich Lochblenden 12a vor den Lichtsendern 10.The light irradiation means 8 comprise a plurality of light transmitters 10, each of which has an optical system 8a (formed by the lenses 13 and 16 in the illustrated case) by which the primary light 14 is focused on a focus region 17 lying in the tissue at a predetermined depth d of the matrix. In the embodiment shown, a plurality of semiconductor light transmitters (light-emitting diodes) are monolithically integrated in a semiconductor substrate (chip) 11. In order to enable good focusing, the light transmitters 10 should be as point-shaped as possible. To limit the light exit openings 12, there are pinholes 12a in front of the light transmitters 10.
Das von den Lichtaustrittsöffnungen 12 ausgehende diver¬ gierende Licht wird durch eine Anordnung von Kollimati- onslinsen 13 kollimiert und tritt als Parallelstrahlen- bündel in einen Strahlteilerwürfel 15 (beam splitter cube BSC) ein. Das aus der gegenüberliegenden Fläche des BSCThe diverging light emerging from the light exit openings 12 is collimated by an arrangement of collimation lenses 13 and enters a beam splitter cube 15 (beam splitter cube BSC) as a parallel beam. That from the opposite surface of the BSC
15 austretende Licht wird durch eine Fokussierungslinse15 emerging light is through a focusing lens
16 auf den Fokusbereich 17 fokussiert.16 focused on the focus area 17.
Die Lichteinstrahlungsmittel, bestehend aus den Lichtsen¬ dern 10 und den Komponenten 12,13 und 16 sind mehrfach (n-fach) vorhanden und als (bevorzugt regelmäßiges) Array 18 parallel zu der Grenzfläche 5 der Matrix 6 derartig angeordnet, daß Primärlichtstrahlen 14 auf eine Mehrzahl von Fokusbereichen 17, die bevorzugt in gleicher Meßtiefe d in dem Gewebe 6 liegen, fokussiert werden. In Figur 1 ist der Strahlengang der Übersichtlichkeit halber nur für einen der Fokusbereiche 17 dargestellt.The light irradiation means, consisting of the light transmitters 10 and the components 12, 13 and 16, are present multiple times (n times) and are arranged as a (preferably regular) array 18 parallel to the interface 5 of the matrix 6 in such a way that primary light beams 14 are directed onto a A plurality of focus areas 17, which are preferably at the same measurement depth d in the tissue 6, are focused. For the sake of clarity, FIG. 1 shows the beam path only for one of the focus areas 17.
Das von jeweils einem der Fokusbereiche 17 ausgehende Se¬ kundärlicht wird durch die Linsen 16 kollimiert und fällt koaxial in den Primärstrahl zurück. In dem BSC 15 erfolgt eine Strahlteilung, wobei das Sekundärlicht senkrecht zu der Richtung des Primärlichtstrahls 14 in Richtung auf einen Detektor 20 reflektiert wird. Vor dem Detektor 20 befindet sich eine weitere Linse 21 und eine Lochblende 22, die die detektorseitige Lichteintrittsöffnung 24 bil¬ det. Die Linsen 16 und 21 bilden insgesamt ein optisches Abbildungssystem 9a, durch die der Fokusbereich 17 auf die Lichteintrittsöffnung 24 (genauer gesagt auf die Ebene der detektorseitigen Lichteintrittsöffnung 24) ab¬ gebildet wird.The secondary light emanating from one of the focus areas 17 is collimated by the lenses 16 and falls coaxially back into the primary beam. Beam splitting takes place in the BSC 15, the secondary light being reflected perpendicular to the direction of the primary light beam 14 in the direction of a detector 20. In front of the detector 20 there is a further lens 21 and a pinhole 22, which forms the detector-side light entry opening 24. The lenses 16 and 21 overall form an optical imaging system 9a, by means of which the focus region 17 is imaged on the light entry opening 24 (more precisely on the level of the detector-side light entry opening 24).
Die Detektoren 20 sind in gleicher Anzahl wie die Licht¬ sender 10 n-fach vorhanden und als Array entsprechend den Lichtsendern angeordnet, wobei jedem Detektor 20 ein op¬ tisches System 16,21 zugeordnet ist. Bevorzugt werden Halbleiterdetektoren (beispielsweise Avalanche-Photodi¬ oden) verwendet, die auf einem gemeinsamen Halbleitersub¬ strat 23 monolitisch integriert sind. Die Kollimatorlin¬ sen 13 , die Fokussierungslinsen 16 und die vor den Detek¬ toren 20 angeordneten Abbildungslinsen 21 sind vorzugs¬ weise jeweils als "Mikrolinsen-Array" (16a, 21a) ausgebil¬ det . Derartige Mikrolinsen-Arrays sind kommerziell er¬ hältlich.The detectors 20 are present in the same number as the light transmitters 10 n-fold and are arranged as an array corresponding to the light transmitters, with each detector 20 being assigned an optical system 16, 21. Semiconductor detectors (for example avalanche photodiodes) are preferably used which are monolithically integrated on a common semiconductor substrate 23. The collimator lenses 13, the focusing lenses 16 and the imaging lenses 21 arranged in front of the detectors 20 are each preferably designed as a "microlens array" (16a, 21a). Such microlens arrays are commercially available.
Die optischen Systeme 8a und 9a, welche Bestandteil der Lichteinstrahlungsmittel 8 und der Detektionsmittel 9 sind, können in unterschiedlicher Weise so aufgebaut sein, daß die erläuterten Beleuchtungs- und Abbildungsbe¬ dingungen erreicht werden. Insbesondere können statt der dargestellten einfachen Linsen auch jeweils mehrlinsige Systeme (Objektive) , grundsätzlich auch Spiegel, als fo- kussierende Elemente eingesetzt werden.The optical systems 8a and 9a, which are a component of the light irradiation means 8 and the detection means 9, can be constructed in different ways in such a way that the explained lighting and imaging conditions are achieved. In particular, instead of the simple lenses shown, multi-lens systems (objectives), in principle also mirrors, can also be used as focusing elements.
Durch die Lichteinstrahlungsmittel 8 wird unter Verwen¬ dung eines optisch fokussierenden Elementes (hier der Fo- kussierungslinse 16) ein Lichtfokus in dem Fokusbereich 17 in der streuenden Matrix generiert. Die konfokale An¬ ordnung der Detektionsmittel 9 führt dazu, daß (wie oben erläutert) überwiegend in dem Fokusbereich 17 reflek¬ tierte Photonen von den Detektoren 20 erfaßt werden und diffus gestreutes Licht nur zu einem geringen Anteil zu dem Detektor 20 gelangt.A light focus in the focus area 17 in the scattering matrix is generated by the light irradiation means 8 using an optically focusing element (here the focusing lens 16). The confocal arrangement of the detection means 9 leads to (as above explained) reflected photons predominantly in the focus area 17 are detected by the detectors 20 and only a small proportion of diffusely scattered light reaches the detector 20.
Die Elektronikeinheit 3 enthält eine Stromversorgungs- schaltung 25 für die Lichtsender 10, eine Verstärker¬ schaltung 26 zur Verstärkung der Ausgangssignale der De¬ tektoren 20 und eine üblicherweise mit Hilfe eines Mikro¬ prozessors realisierte Auswerteeinheit 27, die die ge¬ wünschte analytische Information aus den Meßsignalen der Detektoren 20 ermittelt.The electronics unit 3 contains a power supply circuit 25 for the light transmitter 10, an amplifier circuit 26 for amplifying the output signals of the detectors 20 and an evaluation unit 27 which is usually realized with the aid of a microprocessor and which generates the desired analytical information from the Measurement signals of the detectors 20 are determined.
Um mit Hilfe eines "time-gating"-Verfahrens ein zusätzli¬ ches Mittel zur Tiefenselektion (d.h. zum selektiven Er¬ fassen von Photonen, die in einer mit der Fokustiefe d übereinstimmenden Meßtiefe reflektiert wurden) zur Verfü¬ gung zu stellen, erzeugt die Stromversorgungsschaltung 25 extrem kurze Signalimpulse, die von den Lichtsendern 10 in sehr kurze Lichtimpulse umgesetzt werden. Die Verstär¬ kerschaltung 26 und die Auswerteeinheit 27 sind dafür eingerichtet, das von den Detektoren 20 erfaßte Sekundär¬ licht innerhalb eines definierten Zeitfensters, welches der gewünschten Meßtiefe d entspricht, zu erfassen. Die hierzu erforderlichen Mittel sind in Anbetracht der ex¬ trem kurzen LichtlaufZeiten und der erforderlichen Präzi¬ sion zwar aufwendig, jedoch praktisch verfügbar. Eine er¬ forderliche Steuerleitung zur Übermittlung eines Trigger- Signals ist in Figur 1 mit 25a bezeichnet. Nähere Einzel¬ heiten über unterschiedliche für derartige Messungen ge¬ eignete Technologien können der einschlägigen Literatur entnommen werden. Verwiesen sei insbesondere auf folgende Publikationen, deren Inhalt durch Bezugnahme auch zum In¬ halt des vorliegenden Anmeldungstextes gemacht wird: 5) "Femtosecond optical ranging in biological Systems", von J. G. Fujimoto et al. , OPTICS LETTERS, 1986, 150-152In order to provide an additional means for depth selection (ie for the selective detection of photons which were reflected in a measuring depth which corresponds to the depth of focus d) using a "time-gating" method, the power supply circuit generates 25 extremely short signal pulses, which are converted by the light transmitters 10 into very short light pulses. The amplifier circuit 26 and the evaluation unit 27 are set up to detect the secondary light detected by the detectors 20 within a defined time window, which corresponds to the desired measuring depth d. In view of the extremely short light-running times and the required precision, the means required for this are complex, but are practically available. A necessary control line for the transmission of a trigger signal is designated in FIG. 1 by 25a. Further details on different technologies suitable for such measurements can be found in the relevant literature. Reference is made in particular to the following publications, the content of which is also made by reference to the content of the present application text: 5) "Femtosecond optical ranging in biological systems", by JG Fujimoto et al. , OPTICS LETTERS, 1986, 150-152
6) "Time-resolved Fourier spectrum and imaging in highly scattering media", von L. Wang et al. , APPLIED OPTICS, 1993, 5043 ff".6) "Time-resolved Fourier spectrum and imaging in highly scattering media", by L. Wang et al. , APPLIED OPTICS, 1993, 5043 ff ".
7) "A continuously variable frequency cross-correlation phase fluorometer with picosecond resolution" , von7) "A continuously variable frequency cross-correlation phase fluorometer with picosecond resolution", by
E. Gratton et al. , BIOPHYSICAL JOURNAL, 1983, 315-324E. Gratton et al. , BIOPHYSICAL JOURNAL, 1983, 315-324
Bevorzugt werden bei der Erfindung mehrere Messungen mit unterschiedlichen Fokustiefen d durchgeführt. Zu diesem Zweck ist der Meßkopf 2 in Richtung senkrecht zu der Grenzfläche 5 bewegbar. Zweckmäßigerweise kann diese Ver¬ tikalpositionierung mittels eines auf der Grenzfläche 5 der streuenden Matrix 6 abgestützten rahmenförmigen Hal¬ teteils 28 und eines Positionierantriebs bewirkt werden, der in Figur 1 symbolisch als Doppelpfeil 28a dargestellt ist.In the invention, several measurements with different focus depths d are preferably carried out. For this purpose, the measuring head 2 can be moved in the direction perpendicular to the interface 5. This vertical positioning can expediently be effected by means of a frame-shaped holding part 28 supported on the interface 5 of the scattering matrix 6 and a positioning drive which is symbolically represented in FIG. 1 as a double arrow 28a.
Die Kombination der erfindungsgemäßen meßtechnischen Ma߬ nahmen führt dazu, daß zu dem Meßsignal der Detektoren 20 im wesentlichen nur Photonen beitragen, die in einer de¬ finierten Meßtiefe d reflektiert wurden und von dort im wesentlichen ungestreut zu dem jeweiligen Detektor 20 ge¬ langen. Ungestreute Photonen werden auch als "ballisti¬ sche" Photonen bezeichnet. Die erfindungsgemäße Anordnung erfaßt jedoch auch Photonen, die mit einem kleinen mitt¬ leren Streuwinkel gestreut werden und deren Bahn (propa- gation path) in der Nähe des geometrischen Lichtweges verläuft, die also nur minimal von der kürzesten (balli¬ stischen) Bahn abweichen. Derartige Photonen werden als "quasiballistisch" bezeichnet. Die erfindungsgemäße Anordnung kann man deshalb als "tiefenselektiv-quasi- ballistisches Meßregime" bezeichnen.The combination of the metrological measures according to the invention leads to the fact that essentially only photons contribute to the measurement signal of the detectors 20, which were reflected in a defined measurement depth d and from there reach the respective detector 20 essentially without being scattered. Unscattered photons are also referred to as "ballistic" photons. However, the arrangement according to the invention also detects photons which are scattered with a small mean scattering angle and whose path (propagation path) runs in the vicinity of the geometric light path, which therefore deviate only minimally from the shortest (ballistic) path. Such photons are called "quasi ballistic". The invention The arrangement can therefore be described as a "depth-selective quasi-ballistic measuring regime".
Für die mit diesem tiefenselektiv-quasiballistischen Me߬ regime verbundenen Vorteile bei der Bestimmung eines Ana¬ lyten in einer streuenden, insbesondere biologischen, Ma¬ trix lassen sich nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand der Erfinder folgende Gründe angeben.According to the present knowledge of the inventors, the following reasons can be given for the advantages associated with this depth-selective quasi-ballistic measuring regime when determining an analyte in a scattering, in particular biological, matrix.
Die ballistischen oder quasiballistischen Photonen legen in der Probe die kürzestmögliche Wegstrecke zurück und werden deswegen relativ wenig absorbiert. Deswegen stören in der Probe enthaltene optisch stark absorbierende Stör- substanzen (im Falle von Gewebeproben vor allem Hämoglo¬ bin und Wasser) die Messung verhältnismäßig wenig. Mit diesem Effekt hängt auch zusammen, daß das Meßlicht trotz der starken Absorption dieser Störsubstanzen verhältnis¬ mäßig tief in die Probe eindringen kann und dadurch bei¬ spielsweise in der Haut Schichten erreicht werden, in denen sich die Konzentration der Glucose signifikant än¬ dert . Weiterhin führt die geradlinige Bahn der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfaßten Photonen dazu, daß die Länge des optischen Lichtweges in der Probe definiert ist. Sie entspricht der doppelten Meßtiefe d.The ballistic or quasi-ballistic photons cover the shortest possible distance in the sample and are therefore absorbed relatively little. For this reason, optically strongly absorbing interfering substances contained in the sample (in the case of tissue samples, above all hemoglobin and water) interfere relatively little with the measurement. This effect also has to do with the fact that, despite the strong absorption of these interfering substances, the measuring light can penetrate relatively deep into the sample and, for example, layers can be reached in the skin in which the concentration of glucose changes significantly. Furthermore, the linear path of the photons detected in the method according to the invention means that the length of the optical light path in the sample is defined. It corresponds to twice the measuring depth d.
Von besonderer Bedeutung für die mit der Erfindung er¬ zielten Vorteile ist ein Effekt, der nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 4 näher erläutert wird. Unter den bei der Erfindung vorherrschenden Meßbedingungen wird die Schwächung der eingestrahlten Lichtintensität überwiegend von dem Streukoeffizienten μs und nur zu einem geringeren Anteil von dem Absorptionskoeffizienten μa bestimmt. Da¬ bei ist zu berücksichtigen, daß im Gegensatz zu einem diffusen Meßregime, bei dem mit der erfindungsgemäßen An¬ ordnung erfaßten tiefenselektiv-quasiballistischen Meßre- gime der Lichttransport nicht durch den korrigierten Streukoeffizienten μs ' , sondern durch den unkorrigierten Streukoeffizienten μs beschrieben wird, der stets größer ist als μ„ . Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß der unkorrigierte Streukoeffizient und somit das Meß- signal unter den erfindungsgemäßen Meßbedingungen ver¬ hältnismäßig stark von der Konzentration des Analyten ab¬ hängt. Deshalb ist die Analyt-spezifische Signaländerung bei der Erfindung verhältnismäßig groß.An effect which is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 4 is of particular importance for the advantages obtained with the invention. Under the measurement conditions prevailing in the invention, the attenuation of the incident light intensity is determined predominantly by the scattering coefficient μ s and only to a lesser extent by the absorption coefficient μ a . It must be taken into account that, in contrast to a diffuse measurement regime, in which the depth-selective quasi-ballistic measurement range detected with the arrangement according to the invention gime the light transport is not described by the corrected scattering coefficient μ s ', but by the uncorrected scattering coefficient μ s , which is always larger than μ „. In the context of the invention it was found that the uncorrected scattering coefficient and thus the measurement signal under the measurement conditions according to the invention depend relatively strongly on the concentration of the analyte. Therefore, the analyte-specific signal change in the invention is relatively large.
Die Figuren 2a und 2b zeigen den Verlauf des Phasen-Bre¬ chungsindex n^ einer Glucoselösung in Wasser bei einer Glucosekonzentration von 6,25 mmol (Millimol pro Liter) bzw. 100 mmol in Abhängigkeit von der Wellenlänge L in μm. Diese Meßergebnisse wurden mit einem Interferometer gewonnen, mit dem die Abhängigkeit der Phase von der aus der Bewegung des Interferometerspiegels resultierenden Dopplerfrequenz bestimmt werden kann. Die in Figur 2a und 2b dargestellte Abhängigkeit des Phasen-Brechungsindex von der Wellenlänge läßt sich hieraus unmittelbar be¬ rechnen. Von Interesse ist insbesondere die (in Fig. 2b gestrichelt eingezeichnete) Steigung der dargestellten Kurve im Bereich des Absorptionsmaximums bei 2,15 μm. Diese Steigung entspricht dem Gruppen-Brechungsindex nQ, der das Streuverhalten in der streuenden Matrix bestimmt.FIGS. 2a and 2b show the course of the phase refractive index n ^ of a glucose solution in water at a glucose concentration of 6.25 mmol (millimoles per liter) or 100 mmol depending on the wavelength L in μm. These measurement results were obtained with an interferometer, with which the dependence of the phase on the Doppler frequency resulting from the movement of the interferometer mirror can be determined. The dependence of the phase refractive index on the wavelength shown in FIGS. 2a and 2b can be calculated directly from this. Of particular interest is the slope of the curve shown in the area of the absorption maximum at 2.15 μm (shown in broken lines in FIG. 2b). This slope corresponds to the group refractive index n Q , which determines the scattering behavior in the scattering matrix.
In Figur 3 ist in Form von Balkendiagrammen für drei ver¬ schiedene Substanzen, nämlich den Analyt Glucose (GLUC) und die zwei wichtigen Störsubstanzen NaCl und Lactat (LAC) der Gruppen-Brechungsindex nQ für jeweils vier ver¬ schiedene Lichtwellenlängen aufgetragen. Figur 4 zeigt den differentiellen Brechungsindex, bezogen auf die Wel¬ lenlänge. Aufgetragen sind die Gruppen-Brechungsindex- Differenzen dnG für die drei Substanzen und für die Wellenlängenpaare 1,6 μm minus 1,3 μm sowie 2,135 μm mi¬ nus 1,75 μm.In FIG. 3, the group refractive index n Q for four different light wavelengths is plotted in the form of bar diagrams for three different substances, namely the analyte glucose (GLUC) and the two important interfering substances NaCl and lactate (LAC). FIG. 4 shows the differential refractive index, based on the wavelength. The group refractive index differences dn G are plotted for the three substances and for the Wavelength pairs 1.6 μm minus 1.3 μm and 2.135 μm minus 1.75 μm.
Die in Figur 3 dargestellten Absolutwerte des Gruppen- Brechungsindex Ώ.Q sind für die Glucose am höchsten, je¬ doch auch für die Störsubstanzen NaCl und Lactat erheb¬ lich. Eine wesentlich deutlichere Differenzierung zeigt der in Figur 4 dargestellte differentielle Brechungsin¬ dex. Insbesondere für das dargestellte Wellenlängenpaar 2,135 μm minus 1,75 μm ergibt sich beispielsweise ein Wert für dnQ von 5xl0"6/mmol. In diesem Bereich befindet sich ein Absorptionsmaximum der Glucose in Wasser. Aus publizierten Literaturdaten läßt sich entnehmen, daß der differentielle Absorptionskoeffizient (d.h. die Änderung der Absorption in Abhängigkeit von einer Änderung der Glucosekonzentration) dμa = 2xl0"4/mmol (für eine Wellen¬ länge L = 2,15 nm) beträgt.The absolute values of the group refractive index Ώ shown in FIG. 3. Q are highest for glucose, but also significant for the interfering substances NaCl and lactate. The differential refractive index shown in FIG. 4 shows a much clearer differentiation. For example, for the wavelength pair shown 2.135 μm minus 1.75 μm there is a value for dn Q of 5 × 10 6 / mmol. In this range there is an absorption maximum of glucose in water. From published literature data it can be seen that the differential absorption coefficient (ie the change in the absorption as a function of a change in the glucose concentration) dμ a = 2 × 10 4 / mmol (for a wavelength L = 2.15 nm).
In einer streuenden Matrix hängt die Lichtstreuung, d.h. der Streukoeffizient μg von dem Brechungsindex, der Größe und der Konzentration der streuenden Teilchen sowie von dem Brechungsindex des Mediums ab, in dem die streuenden Teilchen verteilt sind. Wenn diese Größen bekannt sind, läßt sich μs mit Hilfe der Mie-Theorie berechnen, wobei für derartige Berechnungen Computerprogramme verfügbar sind. Im Falle von Hautgewebe als streuende Matrix können folgende Näherungswerte angenommen werden:In a scattering matrix, the light scattering, ie the scattering coefficient μ g, depends on the refractive index, the size and the concentration of the scattering particles and on the refractive index of the medium in which the scattering particles are distributed. If these quantities are known, μ s can be calculated using Mie theory, computer programs being available for such calculations. In the case of skin tissue as a scattering matrix, the following approximate values can be assumed:
Brechungsindex der Streukörper (Zellen) : 1,41Refractive index of the scattering bodies (cells): 1.41
Teilchengröße: 10 μmParticle size: 10 μm
Konzentration: 5%Concentration: 5%
Brechungsindex der interstitiellen Flüssigkeit: 1,38.Refractive index of the interstitial fluid: 1.38.
Hieraus resultiert gemäß der Mie-Rechnung ein Streu¬ koeffizient von 6,8 mm-1, d.h. ein mit Meßergebnissen übereinstimmender Wert für den (unkorrigierten) Streu¬ koeffizienten μs in Gewebe. Dies bestätigt, daß die ange¬ nommenen Zahlenwerte sinnvoll sind. Aus dem oben genann¬ ten Wert des Brechungsindex-Unterschieds (differentiellen Brechungsindex) dnG = 5xl0"6/mmol resultiert gemäß der Mie-Rechnung ein entsprechender differentieller Streu¬ koeffizient dμs = 2,015xl0~3/ mmol. Dieser Wert ist lOmal so hoch wie die erwähnte differentielle Änderung des Ab¬ sorptionskoeffizienten (dμa = 2xl0"4/mmol) .According to the Mie calculation, this results in a scattering coefficient of 6.8 mm -1 , ie one with measurement results corresponding value for the (uncorrected) scattering coefficient μ s in tissue. This confirms that the assumed numerical values make sense. According to the Mie calculation, the above-mentioned value of the refractive index difference (differential refractive index) dn G = 5xl0 "6 / mmol results in a corresponding differential scattering coefficient dμ s = 2.015xl0 ~ 3 / mmol. This value is 10 times as high high as the mentioned differential change in the absorption coefficient (dμ a = 2 × 10 4 / mmol).
Damit ist gezeigt, daß die erfindungsgemäße Meßanordnung eine Meßgröße erfaßt, die empfindlicher auf Änderungen der Analytkonzentration reagiert, als die konventionell gemessene optische Absorption in einem diffusen Meßregime gemäß dem Stand der Technik.This shows that the measuring arrangement according to the invention detects a measured variable which is more sensitive to changes in the analyte concentration than the conventionally measured optical absorption in a diffuse measuring regime according to the prior art.
Die Meßbedingungen und das Verfahren der Auswertung kön¬ nen unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Erkennt¬ nisse optimiert werden, wobei folgende Überlegungen be¬ rücksichtigt werden sollten.The measurement conditions and the method of evaluation can be optimized taking into account the knowledge according to the invention, the following considerations being taken into account.
Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung mindestens zwei Detektionsmessungen mit unterschiedlichen Lichtwellenlän¬ gen durchgeführt. Dabei wird in dem Auswerteschritt vor¬ teilhafterweise ein Quotient der Meßwerte bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängen bestimmt und die Informa¬ tion über die Gegenwart des Analyten auf Basis des Quo¬ tienten ermittelt. Dadurch kann eine störende Hinter¬ grundabsorption weitgehend eliminiert werden, wenn sich die gesamte optische Absorption der Probe sehr viel weni¬ ger als der Streukoeffizient ändert. Dies kann damit er¬ klärt werden, daß die Gesamtschwächung der Lichtintensi¬ tät in Abhängigkeit von der Meßtiefe d im Falle ballisti¬ scher Photonen proportional zu e" (μs+μa)d -j_st- _ Hieraus folgt, daß μa eliminiert werden kann, wenn ein Quotient aus den Intensitätsmeßwerten von zwei Messungen mit kon¬ stanten μa gebildet wird.Within the scope of the invention, at least two detection measurements with different light wavelengths are preferably carried out. In the evaluation step, a quotient of the measured values at the two different wavelengths is advantageously determined and the information about the presence of the analyte is determined on the basis of the quotient. A disturbing background absorption can thereby be largely eliminated if the total optical absorption of the sample changes much less than the scattering coefficient. This can be explained by the fact that the total attenuation of the light intensity as a function of the measuring depth d in the case of ballistic photons is proportional to e " ( μs + μa ) d -j_ st - _ from this it follows that μ a can be eliminated if a quotient is formed from the intensity measurement values of two measurements with constant μ a .
Bei der Wahl der Meßtiefe d sind im Falle von Hautgewebe medizinische Belange zu berücksichtigen. Um eine Gewebe¬ schicht zu erfassen, deren Glucosekonzentration medizi¬ nisch aussagekräftig ist, sollte die Meßtiefe mindestens etwa 0,3 mm betragen. Größere Meßtiefen führen wie be¬ schrieben zu einer exponentiellen Abnahme der Intensität des Meßsignals. Gegenwärtig wird an Hautgewebe eine Me߬ tiefe von etwa 1,5 mm als maximale Obergrenze angesehen.In the case of skin tissue, medical concerns must be taken into account when choosing the measuring depth d. In order to detect a tissue layer whose glucose concentration is medically meaningful, the measuring depth should be at least about 0.3 mm. As described, larger measuring depths lead to an exponential decrease in the intensity of the measuring signal. A measuring depth of approximately 1.5 mm is currently regarded as the maximum upper limit on skin tissue.
Vorzugsweise werden mindestens zwei Messungen durchge¬ führt, bei denen die mit der Fokustiefe d übereinstim¬ mende Meßtiefe unterschiedlich ist, wobei besonders be¬ vorzugt bei den beiden unterschiedlichen Meßtiefen d1 und d2 jeweils Messungen mit den gleichen Lichtwellenlängen L, und L2 durchgeführt werden. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise Meßfehler vermeiden, die auf Schwan¬ kungen der Intensität des eingestrahlten Primärlichtes IQ zurückzuführen sind. Solche Schwankungen sind nicht nur infolge von Intensitätsschwankungen der Lichtsender 10 zu befürchten. Bei Messungen an der Haut stellt vielmehr der Übergang des Lichtes aus dem Meßkopf 2 durch die Grenz¬ fläche 5 in die Probe 6 ("Ankopplung") ein grundlegendes Problem dar. Bereits kleine Änderungen der Position des Meßkopfes können Intensitätsänderungen des in die Probe 6 eingestrahlten Primärlichtes verursachen, die größer sind als das Meßsignal. Diese Meßfehler können bei der erfin¬ dungsgemäßen Meßanordnung eliminiert werden, wenn mit zwei unterschiedlichen Meßtiefen Messungen durchgeführt und ein Quotient der dabei gemessenen Intensitäts-Signale (jeweils bei der gleichen Wellenlänge) gebildet wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn eine der beiden Messungen mit einer möglichst geringen Meßtiefe und die zweite Messung mit einer möglichst großen Meßtiefe durch¬ geführt wird. Die kleine Meßtiefe sollte dabei unterhalb der Epidermis zschicht liegen. Als Richtwert kann ein Be¬ reich zwischen 0,3 mm und 0, 5 mm angegeben werden. Die maximale Größe der zweiten (größeren) Meßtiefe ist im we¬ sentlichen von der Intensität des Meßsignals bestimmt. Die Differenz beider Meßtiefen sollte mindestens 0,3 mm betragen.At least two measurements are preferably carried out in which the measurement depth corresponding to the depth of focus d is different, with measurements with the same light wavelengths L 1 and L 2 being carried out particularly preferably at the two different measurement depths d 1 and d 2 become. This advantageously makes it possible to avoid measurement errors which are attributable to fluctuations in the intensity of the incident primary light I Q. Such fluctuations are not only to be feared as a result of intensity fluctuations in the light transmitter 10. In the case of measurements on the skin, the transition of the light from the measuring head 2 through the interface 5 into the sample 6 (“coupling”) is a fundamental problem. Even small changes in the position of the measuring head can cause changes in the intensity of the radiation entering the sample 6 Cause primary light that are larger than the measurement signal. These measuring errors can be eliminated in the measuring arrangement according to the invention if measurements are carried out with two different measuring depths and a quotient of the intensity signals measured is formed (in each case at the same wavelength). It is particularly advantageous if one of the two measurements is carried out with the smallest possible depth of measurement and the second measurement with the greatest possible depth of measurement. The small measuring depth should be below the epidermis layer. A range between 0.3 mm and 0.5 mm can be given as a guideline. The maximum size of the second (greater) measuring depth is essentially determined by the intensity of the measuring signal. The difference between the two measuring depths should be at least 0.3 mm.
Von Bedeutung ist auch die Größe der Lichteintrittsöff¬ nung vor dem Detektor. In der Fachliteratur wurde der Be¬ griff "wahre konfokale Abbildung (true confocal imaging) " geprägt, um Idealbedingungen einer konfokalen Abbildungs- anordnung zu beschreiben. Näheres hierzu ist dem weiter oben zitierten Artikel von Sheppard et al. zu entnehmen. Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt mit einer deutlich größeren Lichteintrittsöffnung gearbeitet. Vorzugsweise sollte sie höchstens fünfmal so groß sein, wie für eine wahre konfokale Abbildung (gemäß den in dem Artikel von Sheppard et al. angegebenen Formeln) erforderlich. Gene¬ rell sollte der Durchmesser der Lichteintrittsöffnung vor dem Detektor unter 0,1 mm, bevorzugt unter 0,05 mm lie¬ gen.The size of the light entry opening in front of the detector is also important. The term "true confocal imaging" was coined in the specialist literature in order to describe ideal conditions of a confocal imaging arrangement. More details on this can be found in the article by Sheppard et al. refer to. Within the scope of the invention, preference is given to working with a significantly larger light entry opening. Preferably, it should be at most five times the size required for true confocal imaging (according to the formulas given in the Sheppard et al. Article). Generally, the diameter of the light entry opening in front of the detector should be less than 0.1 mm, preferably less than 0.05 mm.
In der Praxis ist es außerordentlich vorteilhaft, nicht nur mit einer einzigen konfokalen Anordnung und einem einzigen Fokusbereich zu arbeiten, sondern eine Vielzahl von konfokalen Anordnungen in Form eines "Array" zu ver¬ wenden, durch das das Primärlicht auf eine Vielzahl von Fokusbereichen in der streuenden Matrix fokussiert und diese Fokusbereiche jeweils auf einen Detektor durch je ein Blendenloch abgebildet werden. Dadurch wird eine Er¬ höhung der Gesamt-Lichtintensität bei aus medizinischen Gründen vorgegebener maximaler Leistungsdichte erreicht. Außerdem werden Meßfehler durch Mikroheterogenitäten in der Haut durch Mittelwertbildung weitgehend eliminiert.In practice, it is extremely advantageous not only to work with a single confocal arrangement and a single focus area, but also to use a large number of confocal arrangements in the form of an "array", through which the primary light is directed to a large number of focus areas in the scattering matrix focused and these focus areas are each imaged on a detector through an aperture. This increases the overall light intensity in medical Reached due to predetermined maximum power density. In addition, measurement errors due to micro heterogeneities in the skin are largely eliminated by averaging.
Die gewünschte analytische Information wird wie erwähnt mit Hilfe eines Auswertealgorithmus bestimmt, der die Meßwerte der gemessenen Meßgröße auf Basis einer Kalibra¬ tion mit Konzentrationswerten verknüpft. Im vorliegenden Fall kann diese Verknüpfung in einer einfachen eindimen¬ sionalen Auswertekurve bestehen, die dem Quotienten aus den Intensitätsmeßwerten zweier Wellenlängen bzw. zweier Meßtiefen jeweils einen Konzentrationswert zuordnet.As mentioned, the desired analytical information is determined with the aid of an evaluation algorithm which links the measured values of the measured variable on the basis of a calibration with concentration values. In the present case, this linkage can consist of a simple one-dimensional evaluation curve which in each case assigns a concentration value to the quotient from the intensity measurement values of two wavelengths or two measurement depths.
In jüngerer Zeit werden in zunehmendem Umfang mathema¬ tisch aufwendigere Verfahren eingesetzt, um in der Analy¬ setechnik die Korrelation zwischen den Meßgrößen (Ein¬ gangsvariablen) und der gesuchten Konzentration (Aus¬ gangsvariable) zu verbessern und dadurch eine höhere Ana¬ lysegenauigkeit zu erreichen. Hierzu gehören insbesondere auch multilineare und nichtlineare Algorithmen, die meh¬ rere Faktoren miteinander verknüpfen, die für die Aus¬ wertung der analytischen Messung erforderlich sind. Im vorliegenden Fall kann es beispielsweise zweckmäßig sein, in jedem Meßschritt eine Vielzahl von Messungen bei un¬ terschiedlichen Lichtwellenlängen durchzuführen und diese Meßwerte insgesamt mittels eines geeigneten numerischen Algorithmus mit dem zugehörigen Konzentrationswert zu korrelieren. Geeignete Algorithmen sind bekannt und teil¬ weise als Computerprogramme kommerziell erhältlich. Bei Verwendung eines derartigen Verfahrens kann es vorteil¬ haft sein, die Meßsignale für mindestens zwei unter¬ schiedliche Wellenlängen und mindestens zwei unterschied¬ liche Meßtiefen unmittelbar (also ohne vorherige Quotien¬ tenbildung) als Eingangsvariable zu verwenden. Obwohl die vorstehenden Erläuterungen sich überwiegend auf Glucose als Analyt beziehen, ist die Erfindung auch für andere Analyten anwendbar, für die folgenden Voraus¬ setzungen gelten: Geringe spezifische optische Absorption des Analyten vor einem großen Absorptionshintergrund; Ge¬ samtabsorption der Probe in dem untersuchten Wellenlän¬ genbereich weitgehend konstant; starke wellenlängenabhän¬ gige Änderung der optischen Absorption (und folglich auch des Brechungsindex der interstitiellen Flüssigkeit) in dem untersuchten Wellenlängenbereich. Als möglicher Ana¬ lyt mit derartigen Eigenschaften sei Alkohol erwähnt . Im Einzelfall kann durch eine experimentelle Erprobung der erfindungsgemäßen Anordnung über einen größeren Bereich von Lichtwellenlängen die Eignung der Erfindung für die jeweilige Analyse erprobt und ein optimaler Wellenlängen¬ bereich festgestellt werden.Recently, more and more complex methods have been used in mathematics to improve the correlation between the measured variables (input variables) and the desired concentration (output variables) in analysis technology and thereby to achieve a higher accuracy of analysis . This includes, in particular, multilinear and nonlinear algorithms that link together several factors that are necessary for the evaluation of the analytical measurement. In the present case it can be expedient, for example, to carry out a large number of measurements at different light wavelengths in each measuring step and to correlate these measured values with the associated concentration value overall using a suitable numerical algorithm. Suitable algorithms are known and some are commercially available as computer programs. When using such a method, it can be advantageous to use the measurement signals as input variables for at least two different wavelengths and at least two different measurement depths directly (that is, without forming a quotient beforehand). Although the above explanations relate predominantly to glucose as analyte, the invention can also be used for other analytes for which the following conditions apply: low specific optical absorption of the analyte against a large absorption background; Total absorption of the sample is largely constant in the examined wavelength range; strong wavelength-dependent change in the optical absorption (and consequently also the refractive index of the interstitial fluid) in the examined wavelength range. Alcohol may be mentioned as a possible analyte with such properties. In individual cases, the suitability of the invention for the respective analysis can be tested by experimentally testing the arrangement according to the invention over a larger range of light wavelengths, and an optimal wavelength range can be determined.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der als zusätzli¬ ches Tiefenselektionsmittel in dem Meßschritt eine Nie- derkohärenz-reflektometrische Messung durchgeführt wird. Ein solches Verfahren wird englisch auch als "LCI (low coherence interferometry) reflectometric measurement" oder auch als "optical coherence domain reflectometry (OCDR) " bezeichnet. Solche interferometrischen Meßverfah¬ ren sind für unterschiedliche Anwendungszwecke bekannt. Verwiesen sei insbesondere auf die Publikation: "Measurement of Optical Properties of Biological Tissues by Low-Coherence Reflectometry", von Schmitt et al. , Ap¬ plied Optics, 32. (1993), 6032-6042 sowie die WO 92/19930 und die bereits erwähnte WO 95/30368.FIG. 5 shows an embodiment in which a low-coherence reflectometric measurement is carried out as additional depth selection means in the measuring step. Such a method is also referred to as "LCI (low coherence interferometry) reflectometric measurement" or also as "optical coherence domain reflectometry (OCDR)". Such interferometric measuring methods are known for different purposes. Particular reference is made to the publication: "Measurement of Optical Properties of Biological Tissues by Low-Coherence Reflectometry", by Schmitt et al. , Applied Optics, 32nd (1993), 6032-6042 as well as WO 92/19930 and the already mentioned WO 95/30368.
Für eine LCI-Messung ist erforderlich, daß ein Teil des von einem spektral breitbandig emittierenden Lichtsender abgestrahlten Lichts durch einen Strahlteiler abgeteilt, auf einem Referenzlichtweg einem optisch reflektierenden Element zugeführt, von diesem reflektiert und vor dem De¬ tektor mit dem Meßlichtweg derartig zusammengefaßt wird, daß das Sekundärlicht und das Referenzlicht miteinander interferieren. Dabei mißt der Lichtempfänger ein Interfe¬ renzsignal, sofern die optische Lichtweglänge in dem Re¬ ferenzarm (von dem Strahlteiler bis zu dem reflektieren¬ den Element) sich maximal um die Kohärenzlänge der Licht¬ quelle von der optischen Weglänge des Meßlichtweges von dem Strahlteiler bis zu dem Reflexionspunkt in der Probe unterscheidet. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird ein Interferenzsignal gemessen. Dies kann man nutzen, um die Untersuchung einer Probe auf eine bestimmte Meßtiefe d zu beschränken.For an LCI measurement, it is necessary that part of the light emitted by a spectrally broadband emitting light transmitter is divided by a beam splitter, and an optically reflecting one on a reference light path Element supplied, reflected by this and combined in front of the detector with the measuring light path in such a way that the secondary light and the reference light interfere with one another. The light receiver measures an interference signal if the optical light path length in the reference arm (from the beam splitter to the reflecting element) is a maximum of the coherence length of the light source from the optical path length of the measuring light path from the beam splitter to the point of reflection in the sample. An interference signal is only measured if this condition is met. This can be used to limit the examination of a sample to a certain measuring depth d.
Bei der Ausführungsform nach Figur 5 ist ein zusätzlicher Lichtweg vorgesehen, der von in dem BSC 15 nach links re¬ flektiertem Licht gebildet wird und den Referenzarm 30 einer Interferometeranordnung bildet. Das Referenzlicht wird an einem beweglichen Spiegel 31 reflektiert und fällt in den BSC 15 in der Gegenrichtung zurück, wobei es über den Sekundärlichtweg 19 zu der detektorseitigen Lichteintrittsöffnung (Lochblende 22) gelangt. Die Inter¬ ferenzbedingung ist erfüllt, wenn der optische Lichtweg in dem Referenzarm 30 (bis zur Oberfläche des Spiegels 31) und in dem Probenarm 32 (bis zu der Meßtiefe d) über¬ einstimmen. Somit kann durch die Einstellung des Spiegels 31 die selektive Erfassung des aus der Meßtiefe d reflek¬ tierten Lichts verbessert werden. Nähere Einzelheiten über die meßtechnische Durchführung des LCI-Verfahrens sind den vorgenannten Literaturstellen zu entnehmen.In the embodiment according to FIG. 5, an additional light path is provided which is formed by light reflected to the left in the BSC 15 and which forms the reference arm 30 of an interferometer arrangement. The reference light is reflected on a movable mirror 31 and falls back into the BSC 15 in the opposite direction, it reaching the light inlet opening (pinhole 22) via the secondary light path 19. The interference condition is met if the optical light path in the reference arm 30 (up to the surface of the mirror 31) and in the sample arm 32 (up to the measuring depth d) match. The setting of the mirror 31 can thus improve the selective detection of the light reflected from the measuring depth d. Further details on the metrological implementation of the LCI method can be found in the aforementioned literature references.
Eine weitere Besonderheit der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß sowohl die Lichtein¬ strahlungsmittel 8 als auch die Detektionsmittel 9 je¬ weils Lichtleitfasern 33 bzw. 34 aufweisen, durch die das Licht von nicht dargestellten Lichtsendern zu dem BSC ge¬ leitet bzw. von dort zu ebenfalls nicht dargestellten De¬ tektoren geleitet wird. Es ist für die Erfindung nicht von grundlegender Bedeutung, ob das Primärlicht (wie bei Figur 1) unmittelbar von den Lichtsendern 10 in die Me߬ anordnung eingestrahlt bzw. durch Detektoren 20 unmittel¬ bar detektiert wird oder ob Lichtleiter (wie bei Figur 5) verwendet werden. Wesentlich ist nur, daß die effektive Lichtaustrittsöffnung 12, von der das Primärlicht in das optische System eintritt und die effektive Lichtein¬ trittsöffnung 24 in dem Sekundärlichtweg 19 hinreichend kleine Abmessungen haben, um eine ausreichend scharfe Fo¬ kussierung sowohl in dem Primärlichtstrahlengang als auch in dem Sekundärlichtstrahlengang zu ermöglichen. Die Be¬ grenzung der primärseitigen Lichtaustrittsöffnung und der sekundärseitigen Lichteintrittsöffnung kann dabei auf un¬ terschiedliche Weise, beispielsweise wie dargestellt durch Lochblenden aber auch durch das entsprechend dimen¬ sionierte Austrittsende einer Lichtleitfaser oder durch die Größe der lichtempfindlichen Fläche eines Detektors realisiert sein.Another special feature of the embodiment shown in FIG. 5 is that both the light irradiation means 8 and the detection means 9 each have optical fibers 33 and 34, respectively, by means of which the Light is guided from light transmitters, not shown, to the BSC or from there to detectors, also not shown. It is not of fundamental importance for the invention whether the primary light (as in FIG. 1) is radiated directly into the measuring arrangement by the light transmitters 10 or is detected directly by detectors 20 or whether light guides (as in FIG. 5) are used become. It is only essential that the effective light exit opening 12, from which the primary light enters the optical system and the effective light entry opening 24 in the secondary light path 19, have sufficiently small dimensions to ensure a sufficiently sharp focusing both in the primary light beam path and in the To enable secondary light beam path. The delimitation of the primary-side light exit opening and the secondary-side light entry opening can be realized in different ways, for example, as shown by pinholes, but also by the correspondingly dimensioned exit end of an optical fiber or by the size of the light-sensitive surface of a detector.
Ein Problem bei der in den Figuren 1 und 4 dargestellten Anordnung mit einem BSC sind Fresnel-Reflexionen, die durch den Brechungsindex-Sprung an den Grenzflächen des BSC verursacht werden. Dadurch wird Licht beispielsweise von der Grenzfläche 29 des BSC reflektiert, durch die das Meßlicht in die Probe austritt (Figur 5) . Dieses starke Reflexionssignal kann leicht zu einer Übersteuerung des Detektors führen. Um dies zu vermeiden, wird bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform eine Anordnung ge¬ wählt, bei der die Achse AP des Primärlicht-Strahles 14 unter einem Winkel θ, welcher kleiner ist als 90°, zu der entsprechenden Begrenzungsfläche 29 geneigt ist. Dadurch trifft der durch Fresnel-Reflexion spiegelnd reflektierte Lichtstrahl 35 nicht auf den Detektor 20.A problem with the arrangement with a BSC shown in FIGS. 1 and 4 is Fresnel reflections, which are caused by the refractive index jump at the interfaces of the BSC. As a result, light is reflected, for example, from the interface 29 of the BSC through which the measuring light exits into the sample (FIG. 5). This strong reflection signal can easily lead to an overload of the detector. In order to avoid this, in the embodiment shown in FIG. 6 an arrangement is selected in which the axis AP of the primary light beam 14 is inclined at an angle θ, which is less than 90 °, to the corresponding boundary surface 29. Thereby The light beam 35 specularly reflected by Fresnel reflection does not strike the detector 20.
Die Abweichung des Winkels θ ist in Figur 6 stark über¬ trieben dargestellt. In der Praxis genügt eine sehr kleine Abweichung um weniger als 1°, daß das spiegelnd reflektierte Licht nicht mehr auf die lichtdetektorsei- tige Lichteintrittsöffnung 24 fällt.The deviation of the angle θ is shown in a greatly exaggerated manner in FIG. In practice, a very small deviation of less than 1 ° is sufficient for the specularly reflected light no longer to strike the light entry opening 24 on the light detector side.
Während bei den Ausführungsformen der Figuren 1, 5 und 6 jeweils das aus dem Fokusbereich koaxial zurückreflek¬ tierte Sekundärlicht erfaßt wird (d.h. die Achse AP des Primärlichts und die optische Achse AS des Sekundärlichts zwischen dem optisch fokussierenden Element und dem Fo¬ kuspunkt übereinstimmt) zeigt Figur 7 eine Ausführungs- form, bei der die optisch fokussierenden Elemente der Einstrahlungsmittel 8 und der Detektionsmittel 9 ver¬ schieden sind, wobei die optische Achse, auf der das Licht in die Probe eingestrahlt wird und die optische Achse, auf der das Licht detektiert wird, sich unter¬ scheiden. Bei der dargestellten Ausführungsform durch¬ dringt das von einer Lichtleitfaser 32 eingestrahlte Pri¬ märlicht für jeden Fokusbereich 17 eines Array jeweils eine erste Linse 40 und eine zweite Linse 41, die einen doppelt so großen Durchmesser wie die erste Linse hat. Das fokussierte Licht dringt asymmetrisch in die Matrix 6 ein. Nach Rückstreuung passiert das Sekundärlicht in der umgekehrten Reihenfolge die zweite Linse 41 und eine dritte Linse 42. Durch das System der Linsen 40,41,42 wird auch bei dieser Ausführungsform erreicht, daß das Primärlicht 14 auf den Fokusbereich 17 fokussiert und dieser Fokusbereich 17 auf die detektorseitige Lichtein- trittsöffnung 24 abgebildet wird. Die Verwendung von ins¬ gesamt drei Linsen mit der dargestellten Anordnung hat den Vorteil, daß kommerziell erhältliche Microlinsen- Arrays verwendet werden können, während bei einer (grund¬ sätzlich ebenfalls möglichen) schrägen (d.h. nicht zur Oberfläche 5 der Matrix 6 parallelen) Anordnung der Lin¬ sen eine Spezialanfertigung der Mikrolinsen-Anordnung er¬ forderlich ist.While in the embodiments of FIGS. 1, 5 and 6 the secondary light coaxially reflected back from the focus area is detected (ie the axis AP of the primary light and the optical axis AS of the secondary light between the optically focusing element and the focus point) FIG. 7 shows an embodiment in which the optically focusing elements of the irradiation means 8 and the detection means 9 are different, the optical axis on which the light is irradiated into the sample and the optical axis on which the light is detected to differ. In the embodiment shown, the primary light irradiated by an optical fiber 32 penetrates a first lens 40 and a second lens 41 for each focus area 17 of an array, which has a diameter twice as large as the first lens. The focused light enters the matrix 6 asymmetrically. After backscattering, the secondary light passes through the second lens 41 and a third lens 42 in the reverse order. The system of lenses 40, 41, 42 in this embodiment also ensures that the primary light 14 focuses on the focus area 17 and this focus area 17 the light inlet opening 24 on the detector side is imaged. The use of a total of three lenses with the arrangement shown has the advantage that commercially available microlens Arrays can be used, whereas in the case of a (basically also possible) oblique (ie not parallel to the surface 5 of the matrix 6) arrangement of the lenses, a special manufacture of the microlens arrangement is required.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 können keine stö¬ renden Probleme mit Fresnel-Rückreflexion entstehen, da kein von einer geraden Fläche spiegelnd reflektiertes Licht den Detektor erreicht. Zwar führen optische Fehler der Linsen (insbesondere Abberationsfehler) zu Verzerrun¬ gen und damit zu einer weniger scharfen Definition des Fokusbereiches 17. Dies ist im Regelfall jedoch nicht störend. Erforderlichenfalls können bekannte optische Korrekturmaßnahmen angewandt werden.In the embodiment according to FIG. 7, no troublesome problems with Fresnel back reflection can arise, since no light specularly reflected from a straight surface reaches the detector. Optical errors of the lenses (in particular aberration errors) lead to distortions and thus to a less sharp definition of the focus area 17. However, this is generally not a problem. If necessary, known optical corrective measures can be applied.
Die Figuren 8 und 9 zeigen zwei Möglichkeiten, bei einer Anordnung mit dem prinzipiellen Aufbau der Figur 7, eine Messung mit mehreren Lichtwellenlängen zu ermöglichen.FIGS. 8 and 9 show two possibilities, in the case of an arrangement with the basic structure of FIG. 7, to enable measurement with a plurality of light wavelengths.
Bei Figur 8 werden als Primärlicht-Sender 10a, 10b, 10c drei Laserdioden verwendet, welche Licht mit unterschied¬ lichen Wellenlängen emittieren und zweckmäßigerweise auf einem gemeinsamen Substrat als integrierte Optik aufge¬ bracht sind. Diese drei Lichtsender strahlen unter unter¬ schiedlichen Einfallswinkeln auf eine Halblinse 45a ab, welche das Licht unter verschiedenen Winkeln kollimiert. Unterhalb der Halblinse 45a befindet sich ein optisches Gitter 46, dessen Gitterkonstante so angepaßt ist, daß die unter verschiedenen Winkeln auftreffenden kollimier- ten Strahlen unterschiedlicher Lichtwellenlänge in einen gemeinsamen (kollimierten) Strahl entlang der optischen Achse transformiert werden. Dieser wird durch eine zweite Halblinse 45b auf eine Lichtaustrittsöffnung 12 fokus¬ siert. Auf der Detektorseite befindet sich eine entsprechende Anordnung bestehend aus zwei Halblinsen 47a und 47b, dem Gitter 46 und Detektoren 20a,20b, 20c für die unterschied¬ lichen Lichtwellenlängen. Die beiden Halblinsen 45a,45b, 47a,47b bilden mit dem Gitter 46 ein Sandwich, welches konstruktiv einfach mit Hilfe von Mikrolinsen-Strukturen aufgebaut werden kann.In FIG. 8, three laser diodes are used as primary light transmitters 10a, 10b, 10c, which emit light with different wavelengths and are expediently applied to a common substrate as integrated optics. These three light transmitters emit at different angles of incidence onto a half lens 45a, which collimates the light at different angles. Below the half lens 45a there is an optical grating 46, the grating constant of which is adapted so that the collimated beams of different light wavelengths incident at different angles are transformed into a common (collimated) beam along the optical axis. This is focused by a second half lens 45b onto a light exit opening 12. On the detector side there is a corresponding arrangement consisting of two half lenses 47a and 47b, the grating 46 and detectors 20a, 20b, 20c for the different light wavelengths. The two half lenses 45a, 45b, 47a, 47b form a sandwich with the grating 46, which can be constructed in a structurally simple manner with the aid of microlens structures.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 9 werden die drei La¬ serdioden durch eine einzige breitbandig abstrahlende La¬ serdiode 10 ersetzt. Die Wellenlängenselektivität wird hier durch das Gitter und die drei unter unterschiedli¬ chen Winkeln hinter dem Gitter angeordneten Detektoren 20a,20b, 20c, gewährleistet. Diese Anordnung ist bei ge¬ ringerer Wellenlängen-Selektivität technisch einfacher als die von Figur 8.In the embodiment according to FIG. 9, the three laser diodes are replaced by a single broadband laser diode 10. The wavelength selectivity is ensured here by the grating and the three detectors 20a, 20b, 20c arranged at different angles behind the grating. This arrangement is technically simpler with a lower wavelength selectivity than that of FIG. 8.
Figur 10 zeigt, in welcher Weise eine Niederkohärenz-re- flektometrische Messung als zusätzliches Tiefenselek¬ tionsmittel bei einer Ausführungsform gemäß Figuren 7 bis 9 möglich ist. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber nur die Zentralstrahlen der Strahlenbündel dargestellt. Als Strahlteiler zur Erzeugung eines Referenzstrahls dient hier ein horizontal verlaufenden halbdurchlässiger Spiegel 48. Der reflektierte Lichtstrahl 50a fällt auf einen Referenzreflektor 51, dessen Abstand von dem halb¬ durchlässigen Spiegel 48 dem Abstand des Fokusbereiches 17 von dem halbdurchlässigen Spiegel 48 entspricht. Aus Symmetriegründen wird das auf den Referenzspiegel 51 auf¬ treffende Licht ebenso wie das in die Probe 6 einge¬ strahlte Licht fokussiert . Das von dem Referenzreflektor 51 reflektierte Licht fällt als Lichtstrahl 50b auf den halbdurchlässigen Spiegel 48 zurück und wird von dort in Richtung auf den Reflektor reflektiert. Die Strahlen 50a und 50b bilden bei dieser Anordnung den Referenzarm 50 der Interferometeranordnung. Eine Modulation des Refe¬ renzlichtes kann durch einen vibrierenden Referenzreflek¬ tor 51 bewirkt werden. Alternativ kann ein LCD-Element im Lichtstrahl derartig angeordnet sein und mit einer ge¬ eigneten Modulationsfrequenz angesteuert werden, daß das Referenzlicht moduliert wird. FIG. 10 shows the manner in which a low-coherence reflectometric measurement is possible as an additional depth selection means in an embodiment according to FIGS. 7 to 9. For the sake of clarity, only the central rays of the rays are shown. A horizontally running semitransparent mirror 48 is used here as a beam splitter to generate a reference beam. The reflected light beam 50a falls on a reference reflector 51, the distance of which from the semitransparent mirror 48 corresponds to the distance of the focus area 17 from the semitransparent mirror 48. For reasons of symmetry, the light striking the reference mirror 51 is focused, as is the light radiated into the sample 6. The light reflected by the reference reflector 51 falls back as a light beam 50b onto the semitransparent mirror 48 and is reflected from there in the direction of the reflector. The rays 50a and 50b form the reference arm 50 of the interferometer arrangement in this arrangement. A modulation of the reference light can be brought about by a vibrating reference reflector 51. Alternatively, an LCD element can be arranged in the light beam in such a way and controlled with a suitable modulation frequency that the reference light is modulated.

Claims

AnsprücheExpectations
Verfahren zur Bestimmung eines Analyten in einer streuenden, insbesondere biologischen, Matrix, bei welchem in einem Detektionsschritt Detektionsmessungen durch¬ geführt werden, bei denen Licht durch eine die streu¬ ende Matrix (6) begrenzende Grenzfläche als Primär¬ licht in die Matrix (6) eingestrahlt und aus der streuenden Matrix (6) durch die Grenzfläche austre¬ tendes Licht als Sekundärlicht detektiert wird, um eine durch die Wechselwirkung des Lichts mit der Ma¬ trix (6) veränderliche, meßbare physikalische Eigen¬ schaften des Lichtes als Meßgröße zu bestimmen, und in einem Auswerteschritt eine Information über die Gegenwart des Analyten in der Matrix (6) auf Basis eines in dem Detektionsschritt gemessenen Meßwertes der Meßgröße ermittelt wird, wobei das Primärlicht (14) mittels eines optisch fokussie¬ renden Elementes (16;40,41) auf einen in der Matrix (6) in einer Fokustiefe (d) unter der Grenzfläche liegenden Fokusbereich (17) fokussiert wird, und der Fokusbereich (17) mittels eines optisch fokussie¬ renden Elementes (16,21;41,42) auf eine im Lichtweg des Sekundärlichtes (19) zu dem Detektor angeordnete Lichteintrittsöffnung (24) abgebildet und dadurch die Detektions des Sekundärlichtes (19) auf den Fokusbe¬ reich (17) konzentriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Tiefenselektionsmittels selektiv aus einer definierten Meßtiefe unter der Grenzfläche (5) reflektiertes Licht als Sekundärlicht detektiert wird, wobei die definierte Meßtiefe mit der Fokus¬ tiefe (d) übereinstimmt.Method for determining an analyte in a scattering, in particular biological, matrix, in which detection measurements are carried out in one detection step, in which light enters the matrix (6) as primary light through an interface delimiting the scattering matrix (6) irradiated and light emerging from the scattering matrix (6) through the boundary surface is detected as secondary light in order to determine a measurable physical properties of the light as a measured variable due to the interaction of the light with the matrix (6), and in an evaluation step, information about the presence of the analyte in the matrix (6) is determined on the basis of a measured value of the measured variable measured in the detection step, the primary light (14) using an optically focusing element (16; 40, 41) is focused on a focus area (17) lying in the matrix (6) at a depth of focus (d) below the interface, and the F Mapping the ocular area (17) by means of an optically focusing element (16, 21; 41, 42) to a light entry opening (24) arranged in the light path of the secondary light (19) to the detector, and thereby the detection of the secondary light (19) to the focus area ¬ rich (17) is concentrated, characterized in that by means of a depth selection means selectively reflected light from a defined measuring depth below the boundary surface (5) is detected as secondary light, the defined measuring depth corresponding to the focus depth (d).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Detektionsmessungen mit unter¬ schiedlichen Lichtwellenlängen durchgeführt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that at least two detection measurements are carried out with different light wavelengths.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auswerteschritt ein Quotient der Meßwerte bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängen bestimmt und die Information über die Gegenwart des Analyten auf Basis des Quotienten ermittelt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that in the evaluation step a quotient of the measured values at the two different wavelengths is determined and the information about the presence of the analyte is determined on the basis of the quotient.
4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß das Primärlicht mittels ei¬ nes Array (18) optisch fokussierender Elemente (16;4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the primary light by means of an array (18) optically focusing elements (16;
40,41) auf eine Mehrzahl von in der gleichen Fokus- tiefe (d) unter der Grenzfläche liegenden Fokusberei¬ chen (17) fokussiert wird und die Mehrzahl der Fokus- bereiche (17) mittels einer entsprechenden Anzahl op¬ tisch fokussierender Elemente (16,21; 41,42) auf je¬ weils eine im Lichtweg zu dem Detektor angeordnete Lichteintrittsöffnung (24) abgebildet wird.40, 41) is focused on a plurality of focus areas (17) lying in the same focus depth (d) below the interface and the majority of the focus areas (17) by means of a corresponding number of optically focusing elements (16 , 21; 41, 42) is imaged on a respective light entry opening (24) arranged in the light path to the detector.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärlicht (14) auf mindestens zehn ver¬ schiedene Fokusbereiche (17) fokussiert wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the primary light (14) is focused on at least ten different focus areas (17).
5 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Fokustiefe übereinstimmende Meßtiefe (d) mindestens 0,3 mm und höchstens 1,5 mm beträgt.5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the one with the depth of focus corresponding measuring depth (d) is at least 0.3 mm and at most 1.5 mm.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Detek¬ tionsmessungen durchgeführt werden, bei denen die mit der Fokustiefe (d) übereinstimmende Meßtiefe unter¬ schiedlich ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least two detection measurements are carried out, in which the measuring depth corresponding to the depth of focus (d) is different.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mit der Fokustiefe übereinstimmende Me߬ tiefe bei den mindestens zwei Detektionsmessungen um mindestens 0,3 mm unterscheidet.8. The method according to claim 7, characterized in that the measuring depth corresponding to the depth of focus in the at least two detection measurements differs by at least 0.3 mm.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Tiefenselektionsmit¬ tel in dem Meßschritt eine Niederkohärenz-reflektome- trische Messung durchgeführt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a low-coherence reflectometric measurement is carried out as depth selection means in the measuring step.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Tiefenselektionsmit¬ tel in dem Meßschritt das Primärlicht in Form eines kurzen Lichtimpulses eingestrahlt und das Sekundär¬ licht innerhalb eines definierten Zeitfensters gemes¬ sen wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the primary light in the form of a short light pulse is radiated in as the depth selection means in the measuring step and the secondary light is measured within a defined time window.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Analyt Glucose ist.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the analyte is glucose.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Lichtes bei mindestens einer der Detektionsmessungen zwischen 2,0 μm und 2,4 μm liegt. 13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei¬ nem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Meßkopf (3) mit einer Probenkontaktfläche (4) zum Anlegen an eine Grenzfläche (5) der streuenden Matrix (6) ,12. The method according to claim 11, characterized in that the wavelength of the light in at least one of the detection measurements is between 2.0 microns and 2.4 microns. 13. Device for carrying out the method according to one of the preceding claims with a measuring head (3) with a sample contact surface (4) for contacting an interface (5) of the scattering matrix (6),
Lichteinstrahlungsmitteln (8) mit einem Lichtsender (10) zum Einstrahlen von Primärlicht (14) in die streuende Matrix (6) durch die Probenkontaktfläche (4) und die Grenzfläche (5) ,Light irradiation means (8) with a light transmitter (10) for irradiating primary light (14) into the scattering matrix (6) through the sample contact surface (4) and the interface (5),
Detektionsmitteln mit einem Detektor (20) zum Detek¬ tieren von durch die Grenzfläche (5) und die Proben¬ kontaktfläche (4) aus der streuenden Matrix (6) aus¬ tretendem Sekundärlicht (19) undDetection means with a detector (20) for detecting secondary light (19) emerging from the scattering matrix (6) through the interface (5) and the sample contact surface (4)
Auswertemitteln (26,27) zur Ermittlung der Informa¬ tion über die Gegenwart des Analyten in der Matrix (6) aus dem Meßsignal des Detektors (20) , wobei die Einstrahlungsmittel (8) und die Detektions¬ mittel (9) jeweils ein optisch fokussierendes Element aufweisen, das optisch fokussierende Element (13, 16;40,41) der Einstrahlungsmittel (8) das Primär¬ licht (14) auf einen in der Matrix (6) in einer Fokustiefe (d) unter der Grenzfläche (5) liegenden Fokusbereich (17) fokussiert und das optisch fokus¬ sierende Element der Detektionsmittel (9) den Fokus- bereich auf eine in dem Lichtweg des Sekundärlichtes (19) zu dem Detektor (20) angeordnete Lichteintritts¬ öffnung (24) abbildet, wodurch die Detektion des Se¬ kundärlichtes (19) auf den Fokusbereich (17) konzen¬ triert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Tiefenselektionsmittel vorgesehen ist, um selektiv aus einer definierten Meßtiefe re¬ flektiertes Licht als Sekundärlicht zu detektieren, wobei die Meßtiefe mit der Fokustiefe (d) überein¬ stimmt.Evaluation means (26, 27) for determining the information about the presence of the analyte in the matrix (6) from the measurement signal of the detector (20), the irradiation means (8) and the detection means (9) each having an optically focusing one Have element, the optically focusing element (13, 16; 40, 41) of the irradiation means (8) the primary light (14) in a focus area in the matrix (6) at a depth of focus (d) below the interface (5) (17) focuses and the optically focussing element of the detection means (9) maps the focus area onto a light entry opening (24) arranged in the light path of the secondary light (19) to the detector (20), whereby the detection of the Se ¬ secondary light (19) is concentrated on the focus area (17), characterized in that an additional depth selection means is provided in order to selectively detect reflected light from a defined measuring depth as secondary light, the depth of measurement coincides with the depth of focus (d).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Lichteintrittsöffnung weniger als 0, 1 mm beträgt.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the diameter of the light entry opening is less than 0.1 mm.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Einstrahlungsmittel (8) als auch die Detektionsmittel (9) ein Array optisch fokussierender Elemente aufweisen, durch die das Primärlicht (14) auf eine Mehrzahl von Fokusbereichen (17) fokussiert wird und die Mehrzahl der Fokusbereiche (17) auf je¬ weils eine Lichteintrittsöffnung (24) vor einem De¬ tektor (20) abgebildet wird.15. The apparatus according to claim 13, characterized in that both the irradiation means (8) and the detection means (9) have an array of optically focusing elements through which the primary light (14) is focused on a plurality of focus areas (17) and Most of the focus areas (17) are imaged on a respective light entry opening (24) in front of a detector (20).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Array optisch fokussierender Elemente ein Mi- krolinsen-Array (16a,21a) ist.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the array of optically focusing elements is a microlens array (16a, 21a).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine Mehrzahl von Detektoren (20) auf einem Halbleiterchip (23) monolitisch integriert ist.17. The apparatus of claim 15 or 16, characterized gekenn¬ characterized in that a plurality of detectors (20) on a semiconductor chip (23) is monolithically integrated.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, da¬ durch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von LichtSen¬ dern (10) auf einem Halbleiterchip (11) monolitisch integriert ist.18. Device according to one of claims 15 to 17, characterized in that a plurality of light transmitters (10) are monolithically integrated on a semiconductor chip (11).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, da¬ durch gekennzeichnet, daß das gleiche optisch fokus- sierende Element (16) sowohl Teil der Einstrahlungs- mittel (8) als auch Teil der Detektionsmittel (9) ist, so daß die optische Achse (AP) des Primärlichtes (17) und die optische Achse (AS) des Sekundärlich- tes (19) zwischen dem optisch fokussierenden Element (16) und dem Fokusbereich (17) übereinstimmt und auf der von der Matrix (6) abgewandten Seite des fo¬ kussierenden Elementes (16) ein Strahlteiler angeord¬ net ist, durch den das Sekundärlicht (19) zu dem De¬ tektor (20) abgezweigt wird.19. Device according to one of claims 13 to 18, characterized in that the same optically focusing element (16) is both part of the irradiation means (8) and part of the detection means (9), so that the optical Axis (AP) of the primary light (17) and the optical axis (AS) of the secondary tes (19) between the optically focusing element (16) and the focus area (17) and a beam splitter is arranged on the side of the focusing element (16) facing away from the matrix (6), through which the secondary light ( 19) is branched off to the detector (20).
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Einstrahlungsmittel (8) und die Detektionsmittel (9) getrennte optisch fokus- sierende Elemente (40 bzw. 42) aufweisen, wobei die optische Achse (AP) , auf der das Primärlicht (14) in die Matrix (6) eingestrahlt wird, und die optische Achse (AS) , auf der das Sekundärlicht (19) detektiert wird, verschieden sind.20. Device according to one of claims 13 to 18, characterized in that the irradiation means (8) and the detection means (9) have separate optically focusing elements (40 and 42), the optical axis (AP), on which the primary light (14) is radiated into the matrix (6) and the optical axis (AS) on which the secondary light (19) is detected are different.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, da¬ durch gekennzeichnet, daß sie als Tiefenselektions- mittel eine Niederkohärenz-reflektometrische Meßein¬ richtung einschließt.21. Device according to one of claims 13 to 20, characterized in that it includes a low-coherence reflectometric measuring device as depth selection means.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, da¬ durch gekennzeichnet, daß sie als Tiefenselektions- mittel eine Einrichtung einschließt, um das Primär¬ licht in Form eines kurzen Lichtimpulses einzustrah¬ len und das Sekundärlicht innerhalb eines definierten Zeitfensters zu messen. 22. Device according to one of claims 13 to 20, characterized in that it includes as a depth selection means a device to irradiate the primary light in the form of a short light pulse and to measure the secondary light within a defined time window.
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